期刊：Nature Plants
影响因子：13.256
发表时间：2020年9月
技术：ChIP-seq、RNA-seq
昼夜交替，四季更迭，这是大自然界两种主要的环境变化，已知生物体可以通过生物钟机制来适应昼夜交替，但对于四季变化过程中生物体在分子水平上的长期反应机制却所知有限。本研究针对多年生植物拟南芥（Arabidopsis halleri）自然种群，利用ChIP-seq技术和RNA-seq数据研究组蛋白修饰（H3K27me3和H3K4me3）的转录调控作用，解释植物面对季节变化和昼夜节律的分子反应机制。
季节性---一年12个时间点，共计48个ChIP-seq样本(12个时间点×2个重复×2种组蛋白修饰)
昼夜节律---9月份转录的昼夜振荡振幅较大的两天对应8个时间点，共计64个ChIP-seq样本(8个时间点×4重复×2 种组蛋白修饰)
Nagano, A. J. et al. Annual transcriptome dynamics in natural environments reveals plant seasonal adaptation. Nat. Plants 5, 74–83 (2019).
1、H3K27me3具有季节可塑性和昼夜节律稳定性，而H3K4me3具有季节和昼夜节律可塑性
通过ChIP-seq结果可知具有季节性表达的基因例如AhgFLC和AhgLTI30，H3K27me3和H3K4me3水平呈季节性变化，但无昼夜波动；生物钟基因例如AhgCCA1和AhgTOC1的H3K27me3水平确实发生了季节性变化，每日无变化，H3K4me3水平呈日变化，季节振荡较弱（图1a-b）。对大多数基因来说，H3K27me3的季节振幅大于昼夜振幅（图1c左）。在H3K4me3中，这种趋势较弱(图1c(右))。与H3K4me3相比，H3K27me3的季节/昼夜振幅比值更高(图1d)。
2、大多数基因上H3K4me3修饰表现出短期季节振荡变化
通过计算每个基因季节振荡组蛋白修饰水平增加或减少(10%到90%的累积期)发现：大多数基因的H3K27me3表现出相似的增减周期(90-150天，图1f，左)；而对于H3K4me3，大多数基因的增减周期持续时间都较短(<100天)(图1f，右)。
图1 全基因组H3K27me3和H3K4me3的季节性和昼夜节律动态
3、组蛋白修饰变化与温度变化相关性很高
分析具有H3K27me3和H3K4me3季节性振荡的基因发现，H3K27me3在1804个基因处发生季节性振荡，H3K4me3在1792个基因处发生季节性振荡，344个基因发生H3K27me3和H3K4me3双重季节振荡。对于具有H3K27me3或H3K4me3季节振荡的基因，采用简单移动平均线（SMA）分析组蛋白修饰的季节模式与环境因素（温度、降水量、日照时数）的相关性可知，温度是H3K27me3和H3K4me3大多数基因相关性最高的因子；日长是第二高的因子。
图2 H3K27me3和H3K4me3季节模式的比较
4、组蛋白修饰水平的季节变化影响基因的表达
联合RNA-seq数据分析H3K27me3和H3K4me3的季节变化对基因表达的影响发现，两者分别与基因表达动态呈负相关和正相关，并且具有双季节振荡的基因具有最大的表达幅度。
图3 H3K27me3和H3K4me3的季节变化增加了转录的季节振幅
5、H3K27me3动态变化相对晚于H3K4me3
比较H3K27me3和H3K4me3季节动态之间的相位差异发现，相对于H3K4me3，大部分基因表现出H3K27me3延迟动态。根据李萨如（Lissajous）曲线，H3K27me3和H3K4me3振荡之间相差最大的四个基因是AhgFLC、AhgVIN3、AhgMAF1和AHGRAP18。这些基因与环境记忆相关功能有关。
图4 H3K27me3相对于H3K4me3的滞后季节动力学
自然条件下全基因组中H3K27me3和H3K4me3模式表明季节性基因调控是H3K27me3的主要功能之一。因此，本文结果可能代表了H3K27me3作为过去转录活性的监测者的作用，至少作用于与环境记忆相关的某类基因的长期基因调控。
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