RNA m6A甲基化修飾在馬鈴薯/水稻/玉米/小麥等不同農(nóng)作物中的研究進(jìn)展
m6A是RNA上最豐富的一種修飾，平均每條轉(zhuǎn)錄本有1~3個(gè)m6A修飾。植物也有相應(yīng)的m6A writers、readers、erasers系統(tǒng)。本期我們通過(guò)3篇RNA m6A甲基化修飾在農(nóng)作物物中的研究成果來(lái)聚焦RNA甲基化在植物中的重要作用。
01 馬鈴薯+水稻：RNA去甲基化可以提高作物的產(chǎn)量和生物量
標(biāo)題：RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials （RNA去甲基化可以提高水稻和馬鈴薯的產(chǎn)量和生物量）
發(fā)表期刊：Nat Biotechnol
發(fā)表日期：2021年7月22日
影響因子：54.908
方法：田間試驗(yàn)、根系形態(tài)分析、組織學(xué)分析、LC–MS/MS定量分析、MeRIP-seq測(cè)序分析、RNA-seq測(cè)序分析
摘要：
m6A是植物正常發(fā)育所必需的，在調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育中起到重要作用。FTO是動(dòng)物RNA去甲基化酶，具有調(diào)控發(fā)育的功能，在植物中沒(méi)有同源蛋白。本研究中，作者在糧食作物水稻和經(jīng)濟(jì)作物馬鈴薯中引入FTO，實(shí)現(xiàn)針對(duì)RNA修飾m6A去甲基化。結(jié)果顯示在溫室環(huán)境中，RNA去甲基化酶FTO表達(dá)使水稻產(chǎn)量增加3倍以上。田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)TO表達(dá)的水稻和馬鈴薯產(chǎn)量和生物量都顯著增加約50%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO表達(dá)可顯著促進(jìn)水稻根分生組織細(xì)胞增殖和分蘗牙形成，增強(qiáng)光合作用，并具有抗旱能力。但對(duì)成熟細(xì)胞大小、嫩莖分生組織細(xì)胞增殖、根直徑、株高或倍性沒(méi)有影響。FTO介導(dǎo)了植物RNA中大量的m6A去甲基化：poly(A) RNA中約7%去甲基化，非核糖體核RNA中m6A甲基化下調(diào)約35%。深入研究其分子機(jī)理發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO介導(dǎo)的m6A去甲基化可以促進(jìn)染色質(zhì)開(kāi)放和激活轉(zhuǎn)錄，分別使葉片中約11000個(gè)基因和根里面約7000個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，激活多個(gè)通路。這一結(jié)果也揭示染色質(zhì)上RNA m6A甲基化對(duì)植物染色質(zhì)狀態(tài)和基因表達(dá)的重要作用。因此植物RNA m6A甲基化調(diào)控對(duì)顯著改善植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量具有很好的應(yīng)用前景。
材料方法：
分別從15日齡水培實(shí)驗(yàn)的野生型WT（Nipp）、FTO 失活表達(dá)（FTOmut）、FTO 表達(dá)植物的等量（1g）嫩莖和根中提取分離Poly(A) RNA和加標(biāo)對(duì)照（5pg），并進(jìn)行m6A-MeRIP測(cè)序和轉(zhuǎn)錄組RNA-seq。
圖：FTO表達(dá)提高了水稻和馬鈴薯的產(chǎn)量和生物量
圖：水稻FTO介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄組范圍m6A去甲基化位點(diǎn)鑒定和分析
02 玉米：m6A甲基化的自然變異及其與翻譯狀態(tài)的關(guān)系
標(biāo)題：Natural Variation in RNA m6A Methylation and Its Relationship with Translational Status（玉米中m6A甲基化的自然變異及其與翻譯狀態(tài)的關(guān)系）
發(fā)表期刊：Plant Physiology
發(fā)表日期：2020年01月
影響因子：8.343
方法：m6A MeRIP-seq、Polysome Profiling、RNA-seq、RT-qPCR
摘要：
m6A是真核mRNA最豐富的RNA修飾之一。盡管已有大量證據(jù)證明m6A能影響RNA在代謝方面的功能，但其對(duì)植物翻譯效率的轉(zhuǎn)錄后平衡的整體貢獻(xiàn)程度仍然未知。本研究中，作者對(duì)兩個(gè)玉米（Zea mays）自交系轉(zhuǎn)錄組范圍內(nèi)的mRNA m6A分布進(jìn)行MeRIP-seq和多聚體分析(polysome profiling)，以評(píng)估m(xù)6A修飾與翻譯狀態(tài)的整體相關(guān)性。m6A修飾位點(diǎn)廣泛分布在數(shù)千個(gè)蛋白編碼基因中，只有一個(gè)共有motif，主要在3'UTR區(qū)富集，且m6A修飾在調(diào)節(jié)可變多聚腺苷酸化（APA，alternative polyadenylation）中發(fā)揮作用。更重要的是作者鑒定出m6A修飾根據(jù)其強(qiáng)度和基因位置顯示了與翻譯狀態(tài)的多方面相關(guān)性。此外作者在m6A修飾中觀察到大量的種內(nèi)變異，這是一種自然變異，被證明部分由基因特異性表達(dá)和可變剪接驅(qū)動(dòng)�？傊@些發(fā)現(xiàn)為鑒定玉米中受m6A修飾調(diào)控的轉(zhuǎn)錄本提供了寶貴的資源，并為更好地理解m6A在介導(dǎo)基因表達(dá)調(diào)控中的自然變異鋪平了道路。
材料方法：
玉米（Zea mays）自交系B73和Mo17的種子用70%乙醇滅菌1分鐘，再用5%次氯酸鈉溶液滅菌5分鐘，用無(wú)菌水沖洗5次。將種子播種在含有蛭石和土壤混合物(1:1, v/v)的盆中，并在生長(zhǎng)室中28℃光照環(huán)境16小時(shí)和25℃黑暗環(huán)境8小時(shí)循環(huán)生長(zhǎng)14天。14天后，采集植物組織，立即在液氮中冷凍，并儲(chǔ)存在-80℃中，直至RNA提取和分離。
圖：玉米自交系B73中的m6A甲基化分布
圖：B73和Mo17之間m6A修飾的自然變異
03 小麥： m6A全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序揭示RNA m6A甲基化在小麥抗RNA病毒感染中的潛在作用
標(biāo)題：Transcriptome-Wide N6-Methyladenosine (m6A) Profiling of Susceptible and Resistant Wheat Varieties Reveals the Involvement of Variety-Specific m6A Modification Involved in Virus-Host Interaction Pathways（對(duì)敏感和抗病小麥品種的m6A全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析揭示了病毒-宿主相互作用途徑中的品種特異性m6A修飾）
發(fā)表期刊：Front Microbiol
發(fā)表日期：2021年5月26日
影響因子：5.640
方法：m6A MeRIP-seq、RNA-seq、MeRIP-qPCR、RT-qPCR
摘要：
m6A甲基化是真核生物中mRNA、tRNA、miRNA和長(zhǎng)鏈非編碼RNA轉(zhuǎn)錄后修飾中最常見(jiàn)的修飾。m6A甲基化已被證明與植物對(duì)病原體的抗性有關(guān)。然而，小麥（Triticum aestivum）m6A全轉(zhuǎn)錄組圖譜及其在小麥抗小麥黃花葉病毒（wheat yellow mosaic virus，WYMV）中的潛在生物學(xué)功能尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究首次繪制兩個(gè)不同抗WYMV小麥品種的轉(zhuǎn)錄組m6A譜。通過(guò)分析m6A-seq數(shù)據(jù)，作者在WYMV感染的抗病小麥品種（WRV）和WYMV感染的敏感小麥品種（WSV）中鑒定了25752個(gè)共有m6A peaks和30582個(gè)共有m6A基因，peaks主要富集在編碼序列的3'UTR區(qū)和終止密碼子區(qū)。m6A-seq的GO分析和RNA-seq數(shù)據(jù)顯示，m6A和mRNA水平均發(fā)生顯著變化的基因與植物防御反應(yīng)有關(guān)。KEGG分析顯示，這些基因在植物-病原體相互作用途徑中富集。作者通過(guò)MeRIP-qPCR和RT-qPCR進(jìn)一步驗(yàn)證了m6A和mRNA水平的變化。本研究證明m6A甲基化在小麥抗WYMV中的作用，為RNA m6A甲基化在小麥抗RNA病毒感染中的潛在功能作用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
材料方法：
收集 30 株被 WYMV 感染或未感染的 yannong 999 和 yannong 24 小麥的恢復(fù)期植株。感染W(wǎng)YMV的yannong 24 小麥葉片出現(xiàn)典型的黃色花葉病癥狀，春季生長(zhǎng)受阻，分蘗減少。感染W(wǎng)YMV的 yannong 999 植物表現(xiàn)出正常表型，無(wú)黃色花葉病癥狀。每個(gè)小麥植株組被平均分成三個(gè)混合樣本，儲(chǔ)存在−80°C，分別作為三個(gè)生物重復(fù)序列用于RNA提取、IP qPCR和m6A IP序列。
圖：m6A-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析
參考文獻(xiàn)：
DOI:10.1038/s41587-021-00982-9
DOI:10.1104/pp.19.00987
DOI:10.3389/fmicb.2021.656302
01 馬鈴薯+水稻：RNA去甲基化可以提高作物的產(chǎn)量和生物量
標(biāo)題：RNA demethylation increases the yield and biomass of rice and potato plants in field trials （RNA去甲基化可以提高水稻和馬鈴薯的產(chǎn)量和生物量）
發(fā)表期刊：Nat Biotechnol
發(fā)表日期：2021年7月22日
影響因子：54.908
方法：田間試驗(yàn)、根系形態(tài)分析、組織學(xué)分析、LC–MS/MS定量分析、MeRIP-seq測(cè)序分析、RNA-seq測(cè)序分析
摘要：
m6A是植物正常發(fā)育所必需的，在調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育中起到重要作用。FTO是動(dòng)物RNA去甲基化酶，具有調(diào)控發(fā)育的功能，在植物中沒(méi)有同源蛋白。本研究中，作者在糧食作物水稻和經(jīng)濟(jì)作物馬鈴薯中引入FTO，實(shí)現(xiàn)針對(duì)RNA修飾m6A去甲基化。結(jié)果顯示在溫室環(huán)境中，RNA去甲基化酶FTO表達(dá)使水稻產(chǎn)量增加3倍以上。田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)TO表達(dá)的水稻和馬鈴薯產(chǎn)量和生物量都顯著增加約50%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO表達(dá)可顯著促進(jìn)水稻根分生組織細(xì)胞增殖和分蘗牙形成，增強(qiáng)光合作用，并具有抗旱能力。但對(duì)成熟細(xì)胞大小、嫩莖分生組織細(xì)胞增殖、根直徑、株高或倍性沒(méi)有影響。FTO介導(dǎo)了植物RNA中大量的m6A去甲基化：poly(A) RNA中約7%去甲基化，非核糖體核RNA中m6A甲基化下調(diào)約35%。深入研究其分子機(jī)理發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)TO介導(dǎo)的m6A去甲基化可以促進(jìn)染色質(zhì)開(kāi)放和激活轉(zhuǎn)錄，分別使葉片中約11000個(gè)基因和根里面約7000個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，激活多個(gè)通路。這一結(jié)果也揭示染色質(zhì)上RNA m6A甲基化對(duì)植物染色質(zhì)狀態(tài)和基因表達(dá)的重要作用。因此植物RNA m6A甲基化調(diào)控對(duì)顯著改善植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量具有很好的應(yīng)用前景。
材料方法：
分別從15日齡水培實(shí)驗(yàn)的野生型WT（Nipp）、FTO 失活表達(dá)（FTOmut）、FTO 表達(dá)植物的等量（1g）嫩莖和根中提取分離Poly(A) RNA和加標(biāo)對(duì)照（5pg），并進(jìn)行m6A-MeRIP測(cè)序和轉(zhuǎn)錄組RNA-seq。
圖：FTO表達(dá)提高了水稻和馬鈴薯的產(chǎn)量和生物量
圖：水稻FTO介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄組范圍m6A去甲基化位點(diǎn)鑒定和分析
02 玉米：m6A甲基化的自然變異及其與翻譯狀態(tài)的關(guān)系
標(biāo)題：Natural Variation in RNA m6A Methylation and Its Relationship with Translational Status（玉米中m6A甲基化的自然變異及其與翻譯狀態(tài)的關(guān)系）
發(fā)表期刊：Plant Physiology
發(fā)表日期：2020年01月
影響因子：8.343
方法：m6A MeRIP-seq、Polysome Profiling、RNA-seq、RT-qPCR
摘要：
m6A是真核mRNA最豐富的RNA修飾之一。盡管已有大量證據(jù)證明m6A能影響RNA在代謝方面的功能，但其對(duì)植物翻譯效率的轉(zhuǎn)錄后平衡的整體貢獻(xiàn)程度仍然未知。本研究中，作者對(duì)兩個(gè)玉米（Zea mays）自交系轉(zhuǎn)錄組范圍內(nèi)的mRNA m6A分布進(jìn)行MeRIP-seq和多聚體分析(polysome profiling)，以評(píng)估m(xù)6A修飾與翻譯狀態(tài)的整體相關(guān)性。m6A修飾位點(diǎn)廣泛分布在數(shù)千個(gè)蛋白編碼基因中，只有一個(gè)共有motif，主要在3'UTR區(qū)富集，且m6A修飾在調(diào)節(jié)可變多聚腺苷酸化（APA，alternative polyadenylation）中發(fā)揮作用。更重要的是作者鑒定出m6A修飾根據(jù)其強(qiáng)度和基因位置顯示了與翻譯狀態(tài)的多方面相關(guān)性。此外作者在m6A修飾中觀察到大量的種內(nèi)變異，這是一種自然變異，被證明部分由基因特異性表達(dá)和可變剪接驅(qū)動(dòng)�？傊@些發(fā)現(xiàn)為鑒定玉米中受m6A修飾調(diào)控的轉(zhuǎn)錄本提供了寶貴的資源，并為更好地理解m6A在介導(dǎo)基因表達(dá)調(diào)控中的自然變異鋪平了道路。
材料方法：
玉米（Zea mays）自交系B73和Mo17的種子用70%乙醇滅菌1分鐘，再用5%次氯酸鈉溶液滅菌5分鐘，用無(wú)菌水沖洗5次。將種子播種在含有蛭石和土壤混合物(1:1, v/v)的盆中，并在生長(zhǎng)室中28℃光照環(huán)境16小時(shí)和25℃黑暗環(huán)境8小時(shí)循環(huán)生長(zhǎng)14天。14天后，采集植物組織，立即在液氮中冷凍，并儲(chǔ)存在-80℃中，直至RNA提取和分離。
圖：玉米自交系B73中的m6A甲基化分布
圖：B73和Mo17之間m6A修飾的自然變異
03 小麥： m6A全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序揭示RNA m6A甲基化在小麥抗RNA病毒感染中的潛在作用
標(biāo)題：Transcriptome-Wide N6-Methyladenosine (m6A) Profiling of Susceptible and Resistant Wheat Varieties Reveals the Involvement of Variety-Specific m6A Modification Involved in Virus-Host Interaction Pathways（對(duì)敏感和抗病小麥品種的m6A全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析揭示了病毒-宿主相互作用途徑中的品種特異性m6A修飾）
發(fā)表期刊：Front Microbiol
發(fā)表日期：2021年5月26日
影響因子：5.640
方法：m6A MeRIP-seq、RNA-seq、MeRIP-qPCR、RT-qPCR
摘要：
m6A甲基化是真核生物中mRNA、tRNA、miRNA和長(zhǎng)鏈非編碼RNA轉(zhuǎn)錄后修飾中最常見(jiàn)的修飾。m6A甲基化已被證明與植物對(duì)病原體的抗性有關(guān)。然而，小麥（Triticum aestivum）m6A全轉(zhuǎn)錄組圖譜及其在小麥抗小麥黃花葉病毒（wheat yellow mosaic virus，WYMV）中的潛在生物學(xué)功能尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究首次繪制兩個(gè)不同抗WYMV小麥品種的轉(zhuǎn)錄組m6A譜。通過(guò)分析m6A-seq數(shù)據(jù)，作者在WYMV感染的抗病小麥品種（WRV）和WYMV感染的敏感小麥品種（WSV）中鑒定了25752個(gè)共有m6A peaks和30582個(gè)共有m6A基因，peaks主要富集在編碼序列的3'UTR區(qū)和終止密碼子區(qū)。m6A-seq的GO分析和RNA-seq數(shù)據(jù)顯示，m6A和mRNA水平均發(fā)生顯著變化的基因與植物防御反應(yīng)有關(guān)。KEGG分析顯示，這些基因在植物-病原體相互作用途徑中富集。作者通過(guò)MeRIP-qPCR和RT-qPCR進(jìn)一步驗(yàn)證了m6A和mRNA水平的變化。本研究證明m6A甲基化在小麥抗WYMV中的作用，為RNA m6A甲基化在小麥抗RNA病毒感染中的潛在功能作用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
材料方法：
收集 30 株被 WYMV 感染或未感染的 yannong 999 和 yannong 24 小麥的恢復(fù)期植株。感染W(wǎng)YMV的yannong 24 小麥葉片出現(xiàn)典型的黃色花葉病癥狀，春季生長(zhǎng)受阻，分蘗減少。感染W(wǎng)YMV的 yannong 999 植物表現(xiàn)出正常表型，無(wú)黃色花葉病癥狀。每個(gè)小麥植株組被平均分成三個(gè)混合樣本，儲(chǔ)存在−80°C，分別作為三個(gè)生物重復(fù)序列用于RNA提取、IP qPCR和m6A IP序列。
圖：兩個(gè)小麥品種的m6A甲基化圖譜和m6A peaks分析
圖：m6A-seq和RNA-seq數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析
參考文獻(xiàn)：
DOI:10.1038/s41587-021-00982-9
DOI:10.1104/pp.19.00987
DOI:10.3389/fmicb.2021.656302
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