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Nature plants!多组学联合解析植物对茉莉酸的响应调控网络

2020-04-17

众所周知,植物激素广泛参与了植物生长、发育和环境响应等各种生理过程。植物感知激素后,通过复杂信号传导网络调控基因表达,进而调控植物生长和发育。茉莉酸作为关键植物激素之一,能够参与调控植物可育性、损伤响应以及生长与防御平衡。前人研究已鉴定了茉莉酸的体内受体及MYC2、MYC3等转录因子调控机制,但是植物整体J的A响应网络以及鉴定新的通路组分仍然需要进行系统研究。

来自美国加州索尔克生物研究所研究团队于2020年3月份在《NATURE PLANTS》上发表了论文“Integrated multi-omics framework of the plant response to jasmonic acid”。该研究利用转录组、蛋白组、磷酸化修饰组以及ChIP-Seq等多个组学技术,系统研究植物响应茉莉酸或茉莉酮酸酯的整体网络变化,并鉴定出信号传导分子细节组分。

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NATURE PLANTS   IF = 13.297

实验材料:茉莉酸处理不同时间点的拟南芥3天黄化幼苗;拟南芥突变体

关键技术: ChIP-Seq;转录组;蛋白组;磷酸化修饰组;组蛋白修饰

技术路线图

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研究结果

1. MYC2和MYC3靶向调控大量JA响应相关基因

MYC2作为主调控转录因子,协同MYC3和MYC4(次级调控转录因子)等参与JA响应基因的激活表达,因此在本项研究中作者采用myc2拟南芥突变体作为对比,对3天的幼苗进行JA处理不同时间点幼苗,综合利用ChIP-Seq、转录组、蛋白组、磷酸化修饰组和组蛋白修饰的多组学分析策略来揭示拟南芥JA响应的复杂网络。首先,作者通过ChIP-Seq技术对全基因组范围内MYC2/MYC3的结合位点进行检测,发现分别有6736 个和3982 个高可信度的DNA结合位点,分别对应与6178 个和4092 个靶基因(占拟南芥基因组23.2%),其中有3847 个基因是两者所共有,通过对此部分基因进行分析发现主要富集在JA和其他激素相关的GO terms上,主要涉及DNA结合和转录调控功能。而MYC2独有的靶基因涉及蛋白激酶功能,MYC3独有的少数靶基因没有明显的蛋白功能富集。同时作者对2h JA处理的幼苗和WT进行转录组测序,发现843个的基因直接被MYC2或者MYC3协同调控。以上结果表明MYC2和MYC3是植物JA响应的主要转录激活因子,发现G-box(CA[C/T]GT[G/T])是它们最常见的DNA基序。

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图1 实验设计和组学数据分析


2. MYC2和MYC3通过调控大量转录因子活性激活植物JA响应

为研究MYC2和MYC3的调控网络,对JA处理不同时间拟南芥幼苗转录数据分析发现共7377 个差异基因,上调表达基因簇与JA响应有关,而下调基因簇涉及细胞壁发育和分化,说明在植物防御途径激活条件下生长和防御系统发生明显的变化。结合ChIP-Seq的数据分析发现63%的差异基因可能直接被MYC2和/或MYC3结合并调控,而且含有大量转录因子,现MYC2和MYC3协同控制大量转录因子参与JA响应过程。

植物激素间的信息通讯对细胞响应外界环境刺激是非常关键的,通过对MYC2和MYC3的ChIP-Seq数据分析发现37-59%激素相关途径基因被MYC2和MYC3结合。作者对JA途径关键的13个转录因子进行调控网络分析,发现这些转录因子间形成高度连接的调控网络,皮尔森相关性分析表明STZ,ANAC055和ATAF2的靶基因与MYC2和MYC3最相似,功能都与JA信号传导途径相关。以上结果表明MYC2和MYC3通过激活大量转录因子网络来参与JA响应并调控JA与其它植物激素信号通路的信息交流。

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图2 MYC2和MYC3靶向调控大部分JA响应的转录因子

3. MYC2控制JA诱导的表观基因组重编程

植物发育和环境刺激诱导的基因表达其中一个重要组成部分就是表观基因组的重编程。JA响应的MYC等转录因子激活势必会引起染色质结构的变化引起靶基因表达水平的改变,作者通过ChIP-Seq进行全基因组H3K4me3的位点鉴定并与转录组数据进行对比分析,发现JA处理导致H3K4me3的上千的位点发生明显变化,从中发现826 个基因差异表达(675 个基因上调,151 个基因下调),说明MYC2通过调节染色体重构来引起植物对JA的响应。

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图3 JA响应的表观基因组重编程

4. JA调控植物蛋白和磷酸化蛋白的表达

植物激素信号传导通常调节下游蛋白的磷酸化水平改变其活性而不影响其转录本表达。作者研究JA处理对蛋白质和磷酸化蛋白表达水平的影响发现MYC2功能缺失导致1432个差异蛋白和939个差异的磷酸化肽段(对应567个蛋白),与转录组数据中挖掘到的118 个蛋白激酶差异基因高度的一致。整体蛋白和转录水平相关性在0.4左右。以上结果说明,JA处理会导致蛋白水平和磷酸化修饰水平发生明显变化。同时,研究发现部分差异磷酸化蛋白主要参与RNA识别和核苷酸结合,功能富集分析表明这部分蛋白主要涉及剪接体相关功能,暗示MYC2通过调控可变剪接进而介导植物对JA的响应。

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图4 MYC2功能缺失影响蛋白和磷酸化蛋白整体变化

5. 植物JA响应调节网络的多组学模型

研究人员随后利用蛋白质组、磷酸化组和转录组学数据进行了联合分析,从而更为系统地描绘植物JA响应调控网络,加深对JA响应的转录因子功能的理解,也有助于鉴定新的潜在调控节点。在JA响应信号通路中发现4366个组分,发现MYC2调控26 个组分(23 个在ChIP-Seq中得到验证)。同时发现MYC2通过直接调控生长素信号通路ARF18,MKK9和GA信号通路RGL3蛋白等参与激素间信号交流进而精细调控植物包括环境响应等各种生理功能。此外,作者发现STZ作为关键早期转录抑制因子在JA响应中有重要调控功能,STZ可以抑制WRKY40,WRKY70, DDF 和 ERF6表达来调控植物对机制防御,环境胁迫等生理功能响应。

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图5 JA响应网络中新成员的鉴定

本文小结

本文研究者通过利用转录组,蛋白组,磷酸化修饰组等技术全面研究拟南芥对茉莉酸的响应机制,揭示了一个植物响应茉莉酸的复杂的机制反应,包括转录因子调控网络,表观基因组重编程,可变剪接以及蛋白和磷酸化修饰的蛋白变化,同时也鉴定出茉莉酸以及与其他植物激素途径交叉通讯非常重要的cross-talk点(基因/蛋白)。通过破译所有这些基因网络和子网络,它可以帮助我们了解整个植物对茉莉酸的系统响应结构。有助于我们全面地了解了植物在防御反应中打开和关闭哪些基因,同时借助CRISPR基因编辑的可用性,这些调控网络的关键节点对于开展防御有害生物攻击的作物育种有非常重要的意义。

该文值得我们借鉴的是,如何将基因表达层面(转录因子、转录组)与蛋白功能层面(蛋白组、磷酸化修饰组)的分析结合,全面阐述植物激素的响应网络。在现今植物抗逆研究中,转录组已经成为最常用的组学之一,而伴随着相关文章大量发表,仅单转录组学的研究新颖性已有所欠缺,进一步加入下游的蛋白层面功能调控分析,能够增加文章的完整性与创新性。尤其,翻译后修饰(如磷酸化、泛素化等)作为植物激素合成与功能调控、逆境信号转导调控的关键生物机制,已受到越来越多的关注,因此,翻译后修饰组代表着逆境研究未来的重要工具与热点趋势之一。

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