ABA對保衛細胞基因表現的影響

 

圖片來源：維基百科

離層酸（ABA，abscisic acid）是六大植物荷爾蒙之一，對植物抵抗乾旱壓力以及種子發芽非常重要。當植物缺水時，植物的葉肉細胞先釋放儲存的離層酸，接著根部合成的也會源源不絕地送到，以維持氣孔的持續關閉。

氣孔（stomata）是植物主要與外界交換氣體的通道，由兩個保衛細胞（guard cell）負責控制氣孔的開閉。可想而知，離層酸對保衛細胞當然會有非常重要的影響。

過去有許多關於保衛細胞與離層酸的研究，多半著重在基因表現上的變化。最近發表在《美國國家科學院院刊》上的這篇論文，研究了植物表皮保衛細胞在離層酸和二氧化碳（CO₂）刺激下的染色質可及性如何改變。

研究團隊首先從阿拉伯芥中分離出保衛細胞核，進行細胞類型特異性分析，以探索ABA和CO2如何調控保衛細胞染色質結構及其在氣孔運動中的作用。

結果顯示，ABA觸發保衛細胞、根細胞和葉肉細胞中廣泛而動態的染色質重塑，具有明顯的細胞類型專一性。DNA基序（motif）分析顯示了ABA誘導和抑制染色質中特定轉錄因子（TF）的結合位點。研究團隊發現，ABA反應元件（ABRE）結合因子（ABF）基因ZIP類型TF是ABA觸發的保衛細胞和根細胞染色質開放所必需的，並暗示了抑制一類bHLH型TF在控制ABA抑制染色質中的作用。此外，與ABA相比，提高大氣中CO2濃度對染色體的影響較小。

另外，研究團隊觀察到ABA誘導的氣孔關閉過程中，會發生表觀基因組重新修飾。對於以50 µM ABA處理的植物，他們發現保衛細胞和整個葉片中數千個基因的差異表現，並指出ABA誘導的基因主要涉及對缺水、ABA和鹽分的反應。這些變化在保衛細胞和整個葉片之間大多數是共享的，但也發現了一些保衛細胞特有的變化。進一步的分析顯示，ABA在保衛細胞中大幅重塑染色質結構，包括2323個區域的可及性增加和1657個基因的減少可及性。這些變化在4小時和24小時後都能持續觀察到，顯示ABA誘導的染色質變化具有持續性。

最後，研究者探究了ABF轉錄因子對ABA誘導的保衛細胞染色質開放所扮演的角色。他們使用缺乏四種相關ABF蛋白的abf1/2/3/4（abfx4）突變體，發現這些因子對於ABA誘導的大部分基因表達非常重要。此外，他們也觀察到，失去abf1/2/3/4的突變體在非壓力條件下的保衛細胞染色質結構與野生型沒有顯著差異，暗示基礎ABA信號在保衛細胞中可能主要調節轉錄後的氣孔關閉機制。然而，這些因子對於ABA重塑染色質結構的能力是必需的，因為在突變體中ABA誘導的染色質開放受到嚴重損害。

在論文中，研究團隊利用ATAC-seq技術來分析植物保衛細胞對離層酸和二氧化碳（CO₂）等環境信號的反應，特別是這些信號如何影響染色質結構的可及性，從而調節基因表現。在進行ATAC-seq實驗時，會使用轉座酶（transposase ，一種可以切割DNA的酶）對細胞中的DNA進行切割。由於轉座酶更容易切割開放的染色質區域，所以這種方法可以有效地鑑定出這些區域。接著，這些切割的DNA片段被萃取出來，並進行分析。分析可以顯示哪些基因組區域在某一特定條件下是開放的，這對於理解基因調控和細胞功能非常重要。

研究團隊觀察到了ABA誘導的氣孔關閉過程中出現的表觀基因組變化，特別是在保衛細胞中的某些專屬變化。這些變化主要體現在染色質的可及性上。研究中觀察到ABA觸發了數千個基因在整個葉片和保衛細胞中的差異表達。其中，2142個基因在保衛細胞中被上調，而1574個被下調。這些基因涉及對水剝奪、ABA反應和鹽脅迫的反應。

儘管大多數由ABA誘導的轉錄變化在保護細胞和整個葉片之間是共享的，但研究發現了一些專屬於保衛細胞的變化。例如，大約22.7%的ABA誘導基因和42.7%的ABA抑制基因僅在保衛細胞中表現。這表明ABA對保衛細胞的基因表達調控具有特定性。

在保衛細胞中，ABA顯著改變了染色質的可及性，包括2323個區域增加可及性和1657個區域減少可及性。這些變化在ABA處理後4小時和24小時都能觀察到，顯示出其持續性。

研究團隊根據ATAC-seq數據將ABA調節的染色體區域分為三類——早期、持續和晚期。這反映了不同時間點對染色質可及性的影響，其中早期和持續變化的區域與「對光反應」和「防禦反應」等生物學過程密切相關。

這些發現顯示，ABA不僅在保衛細胞中引發廣泛的染色質結構改變，而且這些改變與特定的基因表達模式和生物學功能緊密相關。

為什麼研究團隊選擇關注染色質的可及性，而不是僅僅專注於基因表現的變化呢？那是因為：

1. 染色質的結構是調控基因表達的一個重要層面。開放的染色質區域允許轉錄因子和其他調節分子訪問啟動子，從而影響基因的轉錄。通過研究染色質的可及性，可以深入理解在特定生理狀態下，哪些基因可能會受到活化或抑制。

2. 在植物中，保衛細胞對環境信號（如ABA和CO₂）的反應尤為重要，因為這些信號調控氣孔的開合，進而影響植物的蒸散作用和氣體交換。研究團隊認為，這些環境信號可能通過影響染色質的可及性來調節基因表達。

3. 研究團隊專注於保衛細胞，這是植物葉片表皮中專門負責調控氣孔開合的細胞。通過分析這些特定細胞中的染色質可及性，可以更精確地瞭解這些細胞是如何對特定的生物或環境刺激做出反應。

4. 僅分析基因表現的改變提供了有關哪些基因在特定條件下被活化或抑制的信息，但不足以解釋這些變化背後的調控機制。通過分析染色質的可及性，研究團隊可以更全面地理解基因表達調控的機制。

總而言之，透過分析染色質的可及性，研究團隊認為能夠更深入地瞭解在特定生理反應（如ABA誘導的氣孔關閉）中基因表達是如何被調控的，這對於瞭解植物對環境變化的適應機制具有重要意義。

最後，研究團隊發現，與ABA相比，提高大氣中CO₂濃度對保衛細胞的染色質動力學影響較小。具體來說，提高CO₂濃度只對染色質可及性產生了有限的影響，這意味著CO₂並不像ABA那樣強烈地改變保衛細胞中的基因表達模式和染色質結構。

這項發現對於理解植物如何在分子層面上響應不同的環境信號是重要的。ABA被廣泛研究，因為它在植物對乾旱和其他逆境的反應中起著關鍵作用，包括調控氣孔的開閉來減少水分損失。而CO₂作為一種重要的環境信號，其對保衛細胞的影響相對較小，這可能反映出不同信號途徑在保衛細胞功能調控中的差異性。

總之，這項研究強調了植物保衛細胞在響應環境變化時的複雜性，並顯示了不同環境信號如何透過影響染色質結構來調控基因表達。

參考文獻：

PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.231067012