Trends in Plant Science | DNA甲基化：邁向增強作物抗病領(lǐng)域

發(fā)稿時間：2019-11-08來源：天昊生物

 

DNA甲基化是一種表觀遺傳標記，它參與了包括植物發(fā)育、脅迫適應和基因組進化等生物過程。DNA甲基化作為一種新的遺傳變異來源，它在增強植物抗病能力方面具有巨大潛力，為科學家和育種者帶來了新的方向。今天介紹的這篇綜述就系統(tǒng)的討論了病原體誘導的DNA甲基化修飾是如何影響宿主的轉(zhuǎn)錄重編程和基因穩(wěn)定性的，以及DNA甲基化在植物病原體相互作用中的功能。這些都將有利于育種者提高作物抗性和減少產(chǎn)量損失。

 

發(fā)表期刊：Trends in Plant Science  發(fā)表時間：2019-10-8  影響因子：14.006

 

植物病害與表觀調(diào)控

植物病害導致全球產(chǎn)量大幅下降。例如由Magnaporthe oryzae引起的稻瘟病正在全球范圍內(nèi)使水稻產(chǎn)量減少30%。傳統(tǒng)的作物病害管理策略，如殺菌劑施用、作物輪作和種子健康監(jiān)測不足以自行控制產(chǎn)量損失。減少由疾病引起的產(chǎn)量損失的更可行的方法是將傳統(tǒng)策略與分子植物育種方法相結(jié)合，這種方法依賴于抗性基因(R基因)的遺傳多樣性驅(qū)動的表型多樣性，抗性基因包括品種特異性抗性基因和參與品種非特異性抗性的基因。

 

最近，表觀遺傳的變化也被證明在誘導表型多樣性方面也有重要作用，包括通過控制防御基因的表達水平來誘導植物抗性反應。表觀遺傳變化包括DNA甲基化和去甲基化、染色質(zhì)重塑和組蛋白修飾等。在真核生物中，DNA甲基化是一種重要且常見的表觀遺傳修飾，涉及多種生物過程，包括植物對脅迫條件的適應機制、基因組管理和發(fā)育過程。

 

植物防御機制與DNA甲基化

植物利用不同層次的防御機制來抵御病原體。相比之下，病原體使用不同的生活方式和策略與宿主植物相互作用。病原體感染策略的例子包括細菌在細胞間區(qū)的增殖，線蟲直接從植物細胞中取食，真菌菌絲進入植物細胞或其周圍的擴張，以及病毒在植物細胞中的存活和增殖。植物對抗病原體的能力依賴于防御基因的調(diào)控，包括植物防御機制第一層中的基因，這些基因通過表面宿主蛋白受體識別病原體/微生物效應子、病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)或微生物相關(guān)分子模式(MAMPs)而啟動。這些基因刺激第二層防御機制中的PTI或ETI機制。ETI是一個抗性基因，其中抗病蛋白和特異性病原體毒力(Avr)蛋白之間的相互作用。NLR蛋白是最著名的抗性蛋白，對植物抗病性有重要影響。就數(shù)量和分布而言，這些基因的表達模式和進化是植物脅迫誘導反應的關(guān)鍵因素。

 

DNA甲基化是指在DNA的胞嘧啶堿基上增加一個甲基，形成5-甲基胞嘧啶。在植物中，胞嘧啶堿基的甲基化是在對稱CG和CHG以及不對稱CHH(其中H = A、C或 T)上。甲基化主要發(fā)生在CG上，然后是在CHG和CHH，包括擬南芥(CG: 24%, CHG: 6.7%,CHH: 1.7%)，木薯(CG: 58.7%, CHG: 39.5%, CHH: 3.5%)，大豆(CG: 63%, CHG: 44%, CHH: 5.9%)，玉米(CG: 65%, CHG: 50%, CHH: 5%)和水稻(CG:54.7%, CHG: 37.3%, CHH: 12%)等。上述研究還表明，基因體（Gene body）甲基化在CG上發(fā)生率很高；而轉(zhuǎn)座因子(TEs)(即一種類型的移動遺傳因子)在所有三種序列中都高度甲基化。

 

植物中的DNA甲基化涉及三個過程： DNA甲基化從頭生成、甲基化的維持和DNA去甲基化。在植物中， DNA甲基化從頭生成是由DNA重排甲基轉(zhuǎn)移酶2(DRM2)，一種哺乳動物DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dnmt3)的同系物催化的。從頭生成甲基化通過小RNAs發(fā)生，稱為核RNA介導的DNA甲基化(RdDM)機制，需要兩種植物特異性RNA聚合酶，Pol IV和 Pol V。小RNAs包括siRNA和miRNA，已被證明在包括基因表達調(diào)控和轉(zhuǎn)座子沉默等一系列生物過程中具有重要作用。例如，已經(jīng)證明miRNAs參與調(diào)控番茄中NLRs的表達，進而調(diào)控抗性反應。還發(fā)現(xiàn)多種水稻miRNAs通過上調(diào)防御相關(guān)基因參與增強對水稻稻瘟病的抗性。在擬南芥中，作為siRNA介導的沉默中導致DNA和組蛋白甲基化的主要成分之一的Argonaute 4 (ago4)的突變，導致對丁香假單胞桿菌的易感性的增加。擬南芥RdDM途徑多個突變體抗病性的改變，包括nrpe 1(Pol V的最大亞基)、nrpd 2(Pol V的第二大亞基)、ago4、drd1、rdr2(依賴RNA的RNA聚合酶2)，都證實了RdDM對植物免疫系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

 

在植物中，最豐富的一類小RNAs來源于TEs和DNA重復序列，含有TEs的基因更容易通過RdDM途徑被調(diào)控。非TE相關(guān)基因的表達也可能受到RdDM途徑的影響。為了平衡基因組的甲基化水平并維持基因表達，植物使用DNA去甲基化酶去除5-甲基胞嘧啶。在擬南芥中有四種DNA去甲基化酶：DME、ROS1、DML2和DML3 (圖1)。

 

圖1、病原菌脅迫下植物的DNA甲基化調(diào)控。病原菌攻擊期間植物通過RNA介導的DNA甲基化(RNA-directed DNA methylation, RdDM)造成的甲基化程度升高和沉默1阻遏物(Repressor of Silencing 1, ROS1)導致的甲基化程度下降可以調(diào)控如NLR等防御基因的表達，并修飾轉(zhuǎn)座子活性。轉(zhuǎn)座子活性的變化也會影響防御基因的表達。ROS1的表達也可以通過RdDM途徑調(diào)控。

 

DNA甲基化的維持取決于類型。CG甲基化的維持是通過Methyltransferase1（MET1）進行的，在CHG中，甲基化的維持是通過Chromomethylase3（CMT3）和CMT2進行的，CHH甲基化的維持是通過CMT2或RdDM進行的。擬南芥缺失甲基化維持的突變體，顯示對丁香假單胞桿菌的抗性增強。

 

隨著檢測基因組DNA甲基化的多種方法的迅速發(fā)展，也為植物生物發(fā)育等過程中DNA甲基化的研究，包括植物病原體相互作用中的作用提供了技術(shù)支持。這些方法包括whole-genome bisulfite測序、epi-restriction-site associated DNA測序、methylC-capture測序，methylated DNA immunoprecipitation測序、combined bisulfite restriction分析、SeqCap Epi，以及amplification of intermethylated sites等方法。表1總結(jié)了應用這些不同方法對作為病原體誘導的植物免疫系統(tǒng)DNA甲基化進行的最新研究。顯然，在植物中，在病原體脅迫下，DNA甲基化是高度動態(tài)的，可以顯著影響抗性反應(圖1)。

 

表1、病原體脅迫下DNA甲基化修飾對植物的影響

注：AFLP, amplified fragment length polymorphisms; COBRA, combined bisulfite restriction analysis; HPLC, high-performance liquid chromatography; LRR, leucine rich repeat; MSAP, methylation-sensitive amplified polymorphism; MeDIP-seq, methylated DNA immunoprecipitation sequencing.

 

 

DNA甲基化：對轉(zhuǎn)錄組重編程的刺激

植物對逆境的適應依賴于轉(zhuǎn)錄組的重編程，并且在不同的生長階段和逆境條件下，DNA甲基化在轉(zhuǎn)錄組的改變中起著至關(guān)重要的作用。DNA甲基化和基因表達之間的關(guān)系非常復雜，取決于各種因素，包括組織類型、轉(zhuǎn)座子活性、序列背景和基因組區(qū)域，例如基因體和啟動子。

1、啟動子甲基化

許多研究表明啟動子區(qū)域的甲基化調(diào)控基因的表達，甲基化啟動子和基因表達水平之間呈負相關(guān)。致病相關(guān)基因啟動子(如NLR基因)中病原體誘導的DNA低甲基化可以改變它們的表達水平并誘導抗性反應。例如，水稻白葉枯病菌抗性基因Xa21G的啟動子區(qū)，在水稻突變體中低甲基化，在野生型植物中高甲基化。隨后，在突變植物中觀察到高水平的基因表達和對病原體的抗性表型，但在野生型中沒有觀察到。與生物脅迫一樣，由非生物脅迫(如鹽和干旱)導致的啟動子低甲基化，使得非生物脅迫應答基因表達上調(diào)。然而，啟動子的低甲基化并不總是基因表達水平增高所必需的。例如，盡管抗稻瘟病基因Pib在感染稻瘟病菌的植物中有高水平的表達，但是它的啟動子是高度甲基化的；有趣的是，Pib啟動子的部分去甲基化反而降低了它的表達。

在脅迫條件下，低甲基化和高甲基化對植物來說可能都是有益的，因此高水平的全基因組甲基化會降低轉(zhuǎn)錄，從而降低細胞的能量消耗，在病原體攻擊或非生物脅迫期間降低能量消耗是必要的。相比之下，抗性基因的低甲基化會增強它們的表達，從而對環(huán)境因素產(chǎn)生快速的適應性反應。為了最大限度地利用DNA甲基化來提高抗病能力，了解植物對病原體采用的策略是低甲基化還是高甲基化是很重要的。

 

2、基因體甲基化

與啟動子甲基化在基因表達中的作用相反，基因體甲基化在基因表達修飾中的作用仍不太清楚。通常，在植物和哺乳動物中，轉(zhuǎn)錄/編碼區(qū)甲基化水平高的基因常為組成型高水平的表達。對擬南芥全基因組的DNA甲基化分析表明，中度轉(zhuǎn)錄的基因最有可能甲基化，而表達水平最低或最高的基因最不可能甲基化。基因體中CG甲基化已被證明與許多植物物種中的基因表達呈正相關(guān)，包括木薯、大豆、水稻和擬南芥。相比之下，在番茄、擬南芥、豆子基因體中的CHG和CHH甲基化與基因表達呈負相關(guān)。這些觀察表明基因體甲基化的序列背景對基因表達調(diào)控很重要。

除了序列背景，有證據(jù)表明基因體甲基化對基因表達的影響取決于甲基化位點的位置(即內(nèi)含子、外顯子和它們的邊界)。在擬南芥中，CHH和CHG甲基化在很大程度上被排除在基因體之外，內(nèi)含子-外顯子邊界區(qū)除外。內(nèi)含子、外顯子和它們的邊界中不同的DNA甲基化模式可以控制RNA剪接事件，通過產(chǎn)生新的功能性或功能失調(diào)性基因轉(zhuǎn)錄物，甚至沉默基因，導致表型多樣性增加。

 

3、TE甲基化

TEs通過依賴于TEs激活的各種機制調(diào)控基因表達，而TEs激活主要由它們的DNA甲基化狀態(tài)控制。全基因組的低甲基化是生物或非生物脅迫的結(jié)果，可以激活轉(zhuǎn)座子，增加它們在病害相關(guān)基因中的流動性，并隨后調(diào)控它們的表達水平。

TEs用來調(diào)控基因表達的這些機制包括：(I)插入基因區(qū)域，改變表達水平或沉默基因；(ii)啟動子的插入/缺失和新啟動子的產(chǎn)生；(iii)啟動子中已經(jīng)存在的TEs的DNA甲基化狀態(tài)的改變；和(iv)基因的上游或下游插入，改變它們的表達。雖然這四種機制的潛在過程在植物病原體的相互作用中還沒有被很好地解釋，但是有一些例子可以證實宿主TE甲基化模式受到病原體的影響，并且在調(diào)控防御機制中起重要作用(表1)。另外，抗性基因啟動子中TEs的甲基化模式已被證明控制抗性表型和產(chǎn)量損失。TEs的甲基化模式可能是同時調(diào)控各種基因的關(guān)鍵因素，因此，管理TEs的甲基化模式可能是育種計劃中提高理想農(nóng)藝性狀表達和減少不理想農(nóng)藝性狀影響的一種途徑。

在水稻中，編碼轉(zhuǎn)錄因子的WRKY45的兩個等位基因在抗水稻白葉枯病中具有相反的功能，強調(diào)了基因甲基化在基因功能調(diào)控中的重要性。兩個等位基因之間的區(qū)別是WRKY45-2等位基因中存在兩個MITEs，而WRKY45-1等位基因中不存在它們。這些MITEs參與小RNA(TE-siR815)的產(chǎn)生，TE-siR815通過RdDM途徑提高一種NLR基因ST1內(nèi)含子的DNA甲基化水平，從而抑制ST1的表達，解釋WRKY45-1在調(diào)控抗病性中的負作用和WRKY45-2的正作用。

 

 

DNA甲基化：基因組穩(wěn)定的力量

基因組穩(wěn)定性取決于TEs的激活和基因組自由的重排；活躍的移動元件和高比率的基因組重排導致基因組不穩(wěn)定。DNA甲基化對基因組穩(wěn)定性的影響不如轉(zhuǎn)錄組重新編程的作用那么快，并且長期的由于各種環(huán)境刺激導致的DNA甲基化模式的改變，也會影響基因組進化過程。  

抗性基因變異的主要進化機制是通過全基因組復制和三倍化、轉(zhuǎn)座子介導的基因復制或串聯(lián)和片段重組。DNA甲基化，以及其他表觀遺傳標記，在控制這些基因組進化過程中起著重要作用。例如，在大豆中，復制基因中基因體CG甲基化很豐富，與未甲基化基因相比，其進化速度也較慢。同樣，在水稻和木薯中已經(jīng)顯示了DNA甲基化對重復基因進化的影響。有趣的是，在小麥中Ppd-B1的拷貝數(shù)變異(CNV)與其DNA甲基化水平之間存在正相關(guān)，因此高甲基化株系比低甲基化株系拷貝數(shù)多。這一觀察表明，在Ppd-B1位點高水平的DNA甲基化可能是CNV形成的一個調(diào)控因素。

由于暴露于脅迫下基因組DNA甲基化狀態(tài)的突然變化會加速這些進化過程的發(fā)生，由此DNA低甲基化促進暴露于病原體的組織中體細胞重組的增加。病原體攻擊對宿主基因組穩(wěn)定性的影響，主要受TE活性、重排過程和遷移的影響 (圖2)。

 

圖2、病原體誘導的DNA甲基化變化及對通過轉(zhuǎn)錄組重編程和基因組穩(wěn)定性變化對表型和遺傳多樣性的影響。

 

1、TE甲基化

基因組使用DNA甲基化和其他表觀遺傳標記來沉默TEs并限制它們的流動性，以增加基因組穩(wěn)定性；然而，在脅迫下TEs的激活有利于植物的適應。TE插入編碼區(qū)可以產(chǎn)生突變，增加遺傳多樣性，從而增加表型可塑性，這是植物在動態(tài)環(huán)境中所必需的。例如，在擬南芥中，由熱應激激活的ONSEN及其插入ABSCISIC ACID-INSENSITIVE基因產(chǎn)生突變，導致脫落酸不敏感表型，進而導致脅迫耐受性。

基因組也利用DNA甲基化來控制DNA插入位點，并最大限度地減少DNA移動的負面影響。在玉米中，在高表達基因的起始、終止和內(nèi)含子區(qū)觀察到較低的CG甲基化率；相比之下，外顯子在CG中高度甲基化。在基因體中具有優(yōu)先插入位點的轉(zhuǎn)座子Mutator（Mu）的甲基化模式顯示，其插入位點區(qū)缺乏CG但確富含CHG和CHH。這一觀察表明，玉米基因組通過CG甲基化保護編碼區(qū)，并使內(nèi)含子無突變。這種位點特異性的DNA甲基化引導DNA插入基因組的不同部分，包括基因的編碼區(qū)和非編碼區(qū)，這可以增加選擇性剪接事件的機會，創(chuàng)造新的基因，增加表型和基因型可塑性。這些觀察表明，TE活性和基因組不穩(wěn)定性對基因組沒有任何危害。

 

2、基因組重排

脅迫條件下的表觀遺傳變化增加了非同源末端連接和同源重組（HR）的DNA修復，從而降低了基因組穩(wěn)定性。盡管脅迫條件可能不會直接損害DNA，但它們會增加基因組重排過程的發(fā)生。例如在非最佳溫度和日長增加下的擬南芥中，在病原體脅迫下的擬南芥和煙草中，在UV-B和UV-C輻射下的擬南芥中，以及在鹽脅迫下的擬南芥中，其HR頻率會增加。宿主植物和病原體都使用DNA甲基化來控制基因組重排過程，以增加它們自身的表型和遺傳多樣性。

脅迫誘導的表觀遺傳變化激發(fā)的基因組重排過程顯示了世代間的穩(wěn)定性和可遺傳性。例如，在用UV-C或鞭毛蛋白處理的擬南芥植物中，表觀遺傳變化在至少四代中是穩(wěn)定的；在用TMV感染的煙草中，兩代以上表現(xiàn)出HR頻率的增加；在用甲基化抑制劑處理的水稻種子中的表觀遺傳變化可以遺傳九代以上。然而也有人認為，維持多代的效應依賴于反復暴露在脅迫下，這些表觀遺傳變化只在一代中是穩(wěn)定的，因此表觀遺傳變化的遺傳性還需要進一步研究。

 

3、突變

甲基化胞嘧啶殘基是自發(fā)脫氨的熱點。甲基化胞嘧啶和鳥嘌呤的脫氨基作用將它們分別轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶和腺嘌呤。這些脫氨基作用是植物、人類和微生物基因組突變的主要來源之一，并導致了幾種人類遺傳性疾病。甲基化水平高的小麥祖先顯示出比甲基化水平低的祖先更高的C:T或G:A轉(zhuǎn)換速率，暗示基因組突變速率可以由基因組甲基化水平驅(qū)動，其中C:T或G:A轉(zhuǎn)換是5-甲基胞嘧啶脫氨的典型結(jié)果。結(jié)果表明祖先甲基化控制了后代基因組多態(tài)性的水平。

很明顯甲基化胞嘧啶向胸腺嘧啶的轉(zhuǎn)換受環(huán)境因素的顯著影響。從C:G到 T:A轉(zhuǎn)換速度與溫度的升高成正相關(guān)，在數(shù)十億年的進化過程中，由于地球表面的冷卻，這些突變的速度已經(jīng)下降。哺乳動物的陽光照射也顯示出轉(zhuǎn)換的速率的增加。溫室中擬南芥植物超過30代的突變譜顯示，大多數(shù)自發(fā)突變是G:C到A:T的轉(zhuǎn)換，主要是甲基化胞嘧啶脫氨和紫外線誘導誘變的組合效應。但目前沒有研究支持在病原體壓力下的植物中的這些情況產(chǎn)生。

 

結(jié)論及未來方向

 

DNA甲基化是植物適應的一種機制，是一種相對新發(fā)現(xiàn)的變異來源。植物利用DNA甲基化來指導長期生物過程(如基因組進化)和短期過程(如對脅迫的反應)。全基因組的低甲基化和高甲基化，響應環(huán)境因子，可以改變基因組的穩(wěn)定性并誘導進化過程，如突變和片段重排，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的遺傳和表型多樣性。

在突然的脅迫暴露下，通過調(diào)控脅迫反應基因的表達水平，DNA甲基化的改變作為一種快速的適應性反應?；蛏嫌魏拖掠?、TEs和基因體的低甲基化和高甲基化主要影響轉(zhuǎn)錄過程?？傊参锢肈NA甲基化修飾來擴大它們在動態(tài)環(huán)境中的表型和遺傳多樣性，以便在需要時最大限度地提高能量消耗效率和抗性反應。 

從育種者的角度來看，植物病害管理和抗性提高一直是育種規(guī)劃的重中之重。但是氣候變化和人口增長帶來了額外的挑戰(zhàn)。由于氣候變化，脅迫和疾病流行的嚴重性和頻率增加，意味著產(chǎn)量損失預計將顯著增加。加上人口增長率和未來糧食需求的增長趨勢，這給育種者施加了更大的壓力，以盡量減少產(chǎn)量損失。育種者需要超越目前主要依賴于遺傳變異的育種策略，以最大限度地減少因植物病害造成的產(chǎn)量損失。通過擴大表型變異，DNA甲基化可以解決育種計劃中存在的局限性。本文研究者認為，DNA甲基化在植物病原體相互作用中的功能值得進一步研究，以填補關(guān)鍵的知識空白，并使其能夠應用于提高抗性的育種計劃中。

 

 

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