Nature Plants | 植物也会"遗忘"？何跃辉团队发现植物无性体胚繁殖可重置亲本环境表观遗传记忆

除有性生殖外，许多植物还可进行无性繁殖。此外、体外组培再生技术已成为生物育种、快速扩繁及珍稀濒危物种保护的重要手段。这些无性繁殖方式，与有性生殖相比，缺乏全局性的表观遗传印记（包括DNA甲基化和染色质修饰等）重编程过程，因此更容易跨代保留环境诱导的表观遗传印记和随机表观遗传突变。例如，以春化植株的组织为外植体，通过克隆或组培再生获得的植株，无需再次经历长时间低温即可完成成花转变（开花）。在过去的一个世纪里，以多种春化响应植物为材料，使用包括体外再生和克隆繁殖在内的繁殖方式均表明，亲本的春化状态在无性繁殖过程中可被忠实传递给后代，却在有性生殖后代中被重置。由此形成了一种长期存在的观点：表观遗传状态（如春化状态）难以通过无性繁殖实现重置。

6月22日，北京大学现代农业研究院/北京大学现代农学院何跃辉团队在Nature Plants发表了题为Resetting of epigenetic cold memory through somatic embryogenesis in plant regeneration的研究论文。该研究利用模式植物拟南芥体外体细胞胚胎发生，发现表观遗传的春化状态在无性繁殖过程中被重置。这一发现推翻了表观遗传的春化状态不能通过无性繁殖重置的传统认知，并进一步提出利用体细胞胚胎发生消除无性繁殖中母代对子代表观遗传影响的新策略。

在拟南芥及其它十字花科植物中，转录因子FLC强效抑制成花转变。春化作用在长期低温下通过多梳蛋白介导的染色质修饰（组蛋白H3K27me3），建立并维持对FLC的表观遗传沉默，从而使植物获得在春季开花的潜能。研究团队优化了以茎尖为外植体的体细胞胚直接发生体系—茎尖是春化过程中持续低温的主要感知部位。利用FLC::GUS报告基因株系追踪FLC表达状态，发现体外组培形成的愈伤组织无法重置外植体中冷诱导的FLC沉默，但体细胞胚能有效重新激活FLC表达，即重置春化状态（图1）。

进一步研究发现，春化后FLC位点积累的H3K27me3（转录抑制性修饰）在体细胞胚胎发生过程中逐渐下降，至体细胞胚胎发生的后期，无论来源于未春化还是春化外植体的体细胞胚，其FLC位点的H3K27me3水平均降至极低，表明春化状态在体细胞胚胎发生过程中被重置。随后，研究团队分析了再生植株的开花表型（未春化），发现体细胞胚再生植株均表现晚花（即需要经历春化才早花），而愈伤组织再生植株的春化状态得以维持：未经春化仍然早开花（图2）。

综上所述，该研究从"小处"着手，推翻了表观遗传的春化状态仅能经有性繁殖被重置的传统观点。此外，该研究表明胚胎发生本身驱动春化状态重置，从侧面说明有性生殖过程中的春化状态重置是由胚胎发生驱动的，而配子发生、胚乳和母体组织（例如种皮）不参与重置。目前体外组培再生已成为生物技术育种、快速繁殖植物、保护珍稀濒危植物物种的重要手段，但体外植株再生通常导致亲本的环境表观遗传标记及随机表观遗传突变在后代中累积，造成优良性状快速退化；而将体细胞胚胎发生应用于体外植物再生，有可能有效擦除来自亲本的表观遗传标记，为消除无性繁殖过程中表观遗传对后代生长发育的影响提供了一种有效的策略。

北京大学现代农业研究院牛德博士和藕洋博士为共同第一作者，北京大学现代农学院何跃辉教授为通讯作者。山东农业大学苏英华教授团队及曾小琳博士参与了本研究。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划及北京大学-清华大学生命科学联合中心的资助。该研究亦是何跃辉团队在植物表观遗传标记重置系列研究中的延续与深入。

论文链接 (First published in Nature Plants by Springer Nature): 

https://www.nature.com/articles/s41477-026-02325-5