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光是植物光合作用的能量來源。作為重要的環(huán)境信號(hào)，光廣泛參與調(diào)控植物生長發(fā)育的各個(gè)階段。當(dāng)植物幼苗出土見光后，光信號(hào)迅速激活光形態(tài)建成，表現(xiàn)為下胚軸生長抑制、子葉張開變綠以啟動(dòng)光合作用。這是植物早期生長的關(guān)鍵性階段之一。植物在進(jìn)化過程中形成復(fù)雜而精密的光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，通過精細(xì)調(diào)控光形態(tài)建成，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)光環(huán)境的高效響應(yīng)。

表觀遺傳修飾在調(diào)控植物生長發(fā)育及對(duì)環(huán)境的響應(yīng)方面發(fā)揮重要作用。組蛋白共價(jià)修飾是表觀遺傳修飾的組成部分，能夠通過改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)來影響基因表達(dá)。其中，組蛋白H3第27位賴氨酸的三甲基化（H3K27me3）是維持基因沉默的關(guān)鍵修飾。H3K27me3的動(dòng)態(tài)調(diào)控在動(dòng)植物細(xì)胞命運(yùn)決定和生長發(fā)育過程中起到關(guān)鍵作用。

此前，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所曹曉風(fēng)研究組在高等植物組蛋白修飾研究方面取得了一系列成果。但是，H3K27me3的動(dòng)態(tài)調(diào)控是否響應(yīng)光信號(hào)以及是否參與植物光形態(tài)建成尚不清楚。該團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用染色質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)等研究手段，揭示了REF6參與擬南芥紅光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機(jī)制，闡明了光受體、表觀遺傳修飾因子與轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同調(diào)控基因表達(dá)以響應(yīng)光信號(hào)的作用。

表型分析發(fā)現(xiàn)，在光照條件下，REF6功能缺失突變體表現(xiàn)出顯著的下胚軸矮化表型；而其他組蛋白H3K27me3去甲基化酶功能缺失突變體則無明顯表型變化，表明REF6在擬南芥光形態(tài)建成過程中發(fā)揮主效功能。進(jìn)而，研究顯示，與黑暗條件相比，REF6在紅光下蛋白量顯著積累，表現(xiàn)出更強(qiáng)的H3K27去甲基化活性。在紅光照射下，REF6優(yōu)先與光敏色素phyB的活性形式Pfr相互作用。這一相互作用增強(qiáng)了REF6的蛋白穩(wěn)定性及其與染色質(zhì)的結(jié)合能力，促進(jìn)開放染色質(zhì)狀態(tài)下細(xì)胞伸長相關(guān)基因的表達(dá)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，REF6與phyB-PIF4模塊協(xié)同調(diào)控下胚軸的光響應(yīng)生長，確保植物在持續(xù)光照條件下能夠正常生長。

上述研究揭示了植物光環(huán)境響應(yīng)的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，拓展了植物光形態(tài)建成的多維度調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，闡明了光受體、表觀遺傳因子和轉(zhuǎn)錄因子通過協(xié)同作用以精細(xì)調(diào)控復(fù)雜多變光環(huán)境下的植物生長，深化了關(guān)于植物光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的認(rèn)知。

3月10日，相關(guān)研究成果以The Arabidopsis demethylase REF6 physically interacts with phyB to promote hypocotyl elongation under red light為題，在線發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員項(xiàng)目、中國科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目的支持。

論文鏈接

組蛋白H3K27去甲基化酶REF6調(diào)控植物光形態(tài)建成