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植物的冬季記憶與花期調控

 

梅花。圖片來源：維基百科

為了適應季節性氣候變化，許多植物會在經歷了冬季的持續低溫後，才獲得開花的能力（稱為春化）。這是一種避免在不利的寒冷條件下開花的策略，以確保繁殖成功。春化後，植物會記住這種冷凍狀態，即使溫度上升，這種記憶也會被保留，直到適合開花的春季到來。

這個過程是通過一種稱為表觀遺傳調控（epigenetic regulation）的方式進行的。在遺傳學中，表觀遺傳是指遺傳信息以外的遺傳調控機制，通常涉及DNA和蛋白質（如組蛋白）的化學修改。這些修改會影響基因的活性，但不會改變DNA序列本身。春化作用中的表觀遺傳調控涉及長期冷暴露導致某些重要基因被抑制或活化，這些基因通常與開花時機的調控有關。

具體來說，阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）的FLC基因在冷暴露前處於高活性狀態，參與這一過程的是各種稱為染色質修飾因子的蛋白質，包括組蛋白乙酰轉移酶、甲基轉移酶、組蛋白去乙酰酶和Polycomb群體（PcG）因子等。這些蛋白質通過修改FLC基因附近的染色質來調控其表達。

在冬季低溫之前，FLC基因區由於組蛋白H3第4和第36個離氨酸的甲基化（H3K4me3和H3K36me3）而處於一個高度活躍的狀態。這意味著它的染色質結構是放鬆的，容易被轉錄。在冬季低溫條件下，FLC基因所在的染色質區域會發生狀態轉換，從高活性狀態轉變為Polycomb抑制狀態。這是由於VIN3的蛋白質的誘導。VIN3與Polycomb Repressive Complex 2（PRC2）相互作用，導致FLC基因附近染色質上的特定組蛋白（如H3K27）發生三甲基化（H3K27me3），於是染色質結構變得緊密，從而抑制FLC基因的表達。

回暖後，VIN3蛋白質會迅速降解，但FLC基因上的H3K27me3標記仍被保留。這種表觀遺傳的「冬季記憶」確保了FLC基因在冬季後仍然被抑制，

總的來說，這個研究顯示了植物如何通過複雜的表觀遺傳機制記住冬季的低溫經歷，並利用這種記憶來確保在春季適當的時機開花。這不僅是一個有趣的生物學現象，也對我們理解植物適應環境變化的方式提供了重要的洞見。

參考文獻：

Gao Z, He Y. Molecular epigenetic understanding of winter memory in Arabidopsis. Plant Physiol. 2023 Nov 10:kiad597. doi: 10.1093/plphys/kiad597. Epub ahead of print. PMID: 37950890.
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