表观遗传学为植物提供了一种在恶劣天气条件下生存的方式，通过诱导芽休眠状态。环境条件或内部信号的变化促使芽在活跃生长和休眠状态之间切换。研究人员正在调查染色质结构和芽中转录变化如何促进这一过程，利用人工智能模型分析他们的数据。这项研究的结果凸显了表观遗传策略在帮助植物抵御由于全球变暖导致的冬季缩短中的作用。
植物已经进化出在具有挑战性的环境中生存的能力。植物的冬季芽对于其适应能力至关重要。芽可以根据外部条件和内部信号在生长和休眠之间转换。休眠有三个阶段，由特定信号触发：生态休眠（ecodormancy），受环境影响；旁休眠（paradormancy），由植物其他部分的信号引起；内休眠（endodormancy），由芽内的内部信号驱动。在秋季日长变化或低温的情况下，旁休眠的芽进入内休眠，而在受到低温刺激时，则会出现内休眠和生态休眠阶段。从旁休眠到内休眠的过渡作为芽的保护措施。然而，导致内休眠的表观遗传过程尚未彻底研究。
2024年6月21日，《树木生理学》(Tree Physiology)上发表的一项新研究，由助理教授斋藤高典及其团队进行，探讨了“富士”苹果腋芽中染色质的表观遗传改变和转录变化，这些变化促进了温度的检测。他们的研究结果在使用深度学习人工智能模型和统计方法的基础上得到了进一步分析。来自千叶大学园艺研究生院的王姗姗博士、大川克也博士、小原仁博士和近藤悟博士共同参与了这项研究。
这项研究的一个目标是识别在旁休眠到内休眠过渡期间差异表达基因 (DEGs)。在芽休眠的初始阶段，涉及低氧反应、抵御脱落酸(ABA)的防御机制和生物钟的基因变得活跃。作者们还发现，核小体耗竭与观察到的转录模式没有相关性。“有趣的是，尽管在假定的启动子区域中注意到了核小体位点的变化，但在腋芽的休眠过渡期间，我们并未观察到大多数基因体的核小体占用有显著差异。”斋藤博士解释道。
研究人员还检查了影响基因表达的短DNA序列，即顺式调控元件（CREs）。研究人员利用深度学习人工智能模型分析了转录变化与CRE之间的关系。斋藤博士进一步阐释：“我们识别出与细胞周期、生物钟和TATA盒有关的CRE。值得注意的是，生物钟对于下调基因的重要性与观察到的转录变化一致。”此外，数据还表明COL9信号可能在调节CO水平以诱导芽休眠方面发挥作用。
虽然许多基于人工智能的表观遗传研究依赖于广泛的数据集，但本研究则利用了较小的数据集。尽管如此，贝叶斯统计分析将表观遗传改变与冬季芽调控相关的基因转录联系起来。本研究中使用的人工智能方法有潜力推进表观遗传分析，特别是对于缺乏全面基因组信息的非模式植物。
斋藤博士指出：“我们使用深度学习得到的综合结果表明，调节腋芽休眠的冷调节生物钟系统受到单个核小体波动的调控。”
未来，这些发现可能导致更有效的方法，以确保在应对全球变暖带来的挑战时实现可持续的农作物、植物和树木的种植。
