JIA | 河北农业大学赵建军/刘青研究团队揭示了H3K27me3和H3K27ac修饰在不结球白菜盐胁迫响应中的调控机制

耕地盐渍化已成为全球性问题，严重影响植物适应性和作物产量。土壤盐胁迫引发渗透胁迫和离子毒害，抑制植物生长并改变发育进程。不结球白菜（NHCC）作为一种广泛种植的短生长期蔬菜，在盐碱土上的生长受到显著限制。解析其响应盐胁迫的分子机制，对培育耐盐新品种至关重要。

植物通过多种策略应对盐胁迫，其中维持细胞壁完整性尤为关键。研究表明，盐胁迫可引起果胶介导的细胞壁软化，此过程受果胶甲酯酶（PME）调控。此外，组蛋白修饰如H3K27me3和H3K27ac在非生物胁迫响应中发挥重要作用，前者抑制基因表达，后者促进染色质开放和基因转录。已有研究发现，大豆和葡萄在盐或低温胁迫下，H3K27me3水平上升，而水稻根尖在盐胁迫下H3K27ac水平下降。然而，关于组蛋白修饰在NHCC中的作用尚缺乏系统研究。

2026年2月17日，河北农业大学赵建军/刘青研究团队在Journal of Integrative Agriculture上发表题为“The genome-wide landscape of histone modifications dynamics in non-heading Chinese cabbage root tips under salt stress”的研究论文。研究通过CUT&Tag-seq和RNA-seq技术分析NHCC根尖在盐胁迫下的全基因组H3K27ac和H3K27me3修饰及转录组变化，揭示了组蛋白修饰在盐胁迫响应中的调控机制。

NHCC幼苗经100 mM NaCl处理后，根尖表型呈现动态响应：盐胁迫12h，伸长区根毛出现明显萎蔫；至24h，多数根毛表现出恢复迹象。通过CUT&Tag-seq分析发现，NHCC根尖在盐胁迫下的全基因组H3K27ac水平下降，而H3K27me3水平上升，且在12 h至24 h内保持稳定。两类修饰在启动子区域的占比均增加，其中H3K27ac降低的位点在启动子区比例显著上升。

图1. 盐胁迫下NHCC根尖中H3K27ac和H3K27me3修饰水平的变化

功能分析显示，H3K27ac升高的基因主要富集于酶抑制剂活性和果胶酯酶活性等通路，可能参与早期应激响应；而H3K27ac降低及H3K27me3升高的基因则显著富集于激素结合、生长素响应、转录因子DNA结合及植物器官发育等过程，提示盐胁迫通过抑制这些调控通路限制生长以适应逆境。这些结果说明盐胁迫通过协同降低激活型修饰、增强抑制型修饰，动态重塑染色质状态，优先激活防御相关基因，同时抑制生长与发育相关基因的表达，从而协调NHCC的耐盐响应。

图2. 盐胁迫下NHCC根尖中H3K27ac和H3K27me3水平改变的基因

研究通过RNA-seq分析盐胁迫下NHCC根系的转录动态，在0 h vs 12 h 和 0 h vs 24 h中鉴定出7,171和6,388个差异表达基因（DEGs）。K-means聚类将DEGs分为7种时序表达模式。功能富集显示：持续上调基因富集于非生物胁迫响应和转录调控；早期上调基因主要参与防御与应激反应；晚期上调基因显著富集于细胞壁组织与生物发生，提示细胞壁重塑是后期适应机制；瞬时上调基因涉及翻译与肽合成，可能支持应激蛋白快速合成；下调基因（早期、晚期或瞬时）多与激素响应、次生代谢及氧化还原过程相关，反映生长-防御权衡。结果表明NHCC通过早期激活防御通路、中期抑制生长相关基因、后期强化细胞壁结构的多阶段策略应对盐胁迫，其中氧化胁迫响应、激素信号调控和细胞壁修饰构成核心适应机制。

图3. 盐胁迫下DEGs的K-means聚类

整合转录组数据与H3K27ac、H3K27me3修饰数据，研究发现NHCC染色体上H3K27ac与H3K27me3结合位点分布相对均匀，但两者对盐胁迫的响应存在显著差异，并且这些组蛋白标记的变化与mRNA转录水平的变化同步发生。在盐胁迫12h和24h分别鉴定出521个和399个基因同时出现H3K27ac水平下降且转录本丰度降低；同样地，在这两个时间点还分别发现了316个和392个基因同时出现H3K27me3水平上升且转录本丰度降低。进一步分析表明，12h时H3K27ac下降且表达下调的基因主要富集于生物刺激响应、氧化还原过程等生物学过程以及铁离子结合、钙调蛋白结合等分子功能；而24h时这类基因则在几丁质响应、岩藻糖代谢过程等生物学过程中富集，以及钙调蛋白结合、ADP结合等分子功能中富集。对于H3K27me3水平上升且表达下调的基因，在12h时它们主要涉及脂质响应、生物刺激响应等生物学过程及转录调控区特异性DNA结合序列等分子功能，而在24h时则富集于含氧化合物响应、茉莉酸介导信号通路调控等生物学过程以及转录共调控活性、组蛋白乙酰转移酶活性等分子功能。

图4. 盐胁迫下NHCC根尖中组蛋白修饰和表达同时变化的基因

据报道，细胞壁相关通路参与植物盐胁迫响应，盐胁迫下组蛋白修饰与基因表达水平协同变化的基因显著富集于细胞壁相关GO条目。研究聚焦于H3K27ac修饰水平升高、表达显著上调且与细胞壁功能相关的基因，其中LOC103863047（BcPMEI4）作为拟南芥AtPMEI4的同源基因，在根中表达，参与细胞壁合成与根系发育。通过VIGS技术沉默BcPMEI4后，植株表现出明显的生长抑制表型，包括叶片黄化和整体生长迟缓。在250 mM NaCl处理5天后，沉默株系的叶面积和根长均显著小于对照，且DAB染色显示其体内活性氧（ROS）积累水平显著升高。这些结果表明，BcPMEI4在盐胁迫下受H3K27ac激活并上调表达，正向调控NHCC的耐盐性，是细胞壁介导盐胁迫响应的关键基因之一。

图5. BcPMEI4的沉默削弱了NHCC的耐盐性

总之，这篇论文通过全基因组H3K27ac和H3K27me3修饰及转录组分析，揭示了NHCC在盐胁迫下的分子响应机制。研究发现，盐胁迫下H3K27me3水平增加，H3K27ac水平减少，且这些修饰与细胞壁相关基因的表达变化密切相关。特别是，BcPMEI4基因在盐胁迫下H3K27ac修饰增加，其沉默显著降低了NHCC的耐盐性。这些发现为理解NHCC及其他十字花科作物在盐胁迫下的表观遗传机制提供了重要依据。