RNA m6A甲基化修饰在马铃薯/水稻/玉米/小麦等不同农作物中的研究进展
2023-03-30 来源:本站 点击次数:1097
m6A是RNA上最丰富的一种修饰，平均每条转录本有1~3个m6A修饰。植物也有相应的m6A writers、readers、erasers系统。本期我们通过3篇RNA m6A甲基化修饰在农作物物中的研究成果来聚焦RNA甲基化在植物中的重要作用。
01 马铃薯+水稻：RNA去甲基化可以提高作物的产量和生物量
标题：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马铃薯的产量和生物量）
发表期刊：Nat Biotechnol
发表日期：2021年7月22日
影响因子：54.908
方法：田间试验、根系形态分析、组织学分析、LC–MS/MS定量分析、MeRIP-seq测序分析、RNA-seq测序分析
摘要：
m6A是植物正常发育所必需的，在调控植物生长发育中起到重要作用。FTO是动物RNA去甲基化酶，具有调控发育的功能，在植物中没有同源蛋白。本研究中，作者在粮食作物水稻和经济作物马铃薯中引入FTO，实现针对RNA修饰m6A去甲基化。结果显示在温室环境中，RNA去甲基化酶FTO表达使水稻产量增加3倍以上。田间试验结果显示，FTO表达的水稻和马铃薯产量和生物量都显著增加约50%。进一步研究发现，FTO表达可显著促进水稻根分生组织细胞增殖和分蘖牙形成，增强光合作用，并具有抗旱能力。但对成熟细胞大小、嫩茎分生组织细胞增殖、根直径、株高或倍性没有影响。FTO介导了植物RNA中大量的m6A去甲基化：poly(A) RNA中约7%去甲基化，非核糖体核RNA中m6A甲基化下调约35%。深入研究其分子机理发现，FTO介导的m6A去甲基化可以促进染色质开放和激活转录，分别使叶片中约11000个基因和根里面约7000个基因表达上调，激活多个通路。这一结果也揭示染色质上RNA m6A甲基化对植物染色质状态和基因表达的重要作用。因此植物RNA m6A甲基化调控对显著改善植物生长和作物产量具有很好的应用前景。
材料方法：
分别从15日龄水培实验的野生型WT（Nipp）、FTO 失活表达（FTOmut）、FTO 表达植物的等量（1g）嫩茎和根中提取分离Poly(A) RNA和加标对照（5pg），并进行m6A-MeRIP测序和转录组RNA-seq。
图：FTO表达提高了水稻和马铃薯的产量和生物量
图：水稻FTO介导的转录组范围m6A去甲基化位点鉴定和分析
02 玉米：m6A甲基化的自然变异及其与翻译状态的关系
标题：Natural Variation in RNA m6A Methylation and Its Relationship with Translational Status（玉米中m6A甲基化的自然变异及其与翻译状态的关系）
发表期刊：Plant Physiology
发表日期：2020年01月
影响因子：8.343
方法：m6A MeRIP-seq、Polysome Profiling、RNA-seq、RT-qPCR
摘要：
m6A是真核mRNA最丰富的RNA修饰之一。尽管已有大量证据证明m6A能影响RNA在代谢方面的功能，但其对植物翻译效率的转录后平衡的整体贡献程度仍然未知。本研究中，作者对两个玉米（Zea mays）自交系转录组范围内的mRNA m6A分布进行MeRIP-seq和多聚体分析(polysome profiling)，以评估m6A修饰与翻译状态的整体相关性。m6A修饰位点广泛分布在数千个蛋白编码基因中，只有一个共有motif，主要在3'UTR区富集，且m6A修饰在调节可变多聚腺苷酸化（APA，alternative polyadenylation）中发挥作用。更重要的是作者鉴定出m6A修饰根据其强度和基因位置显示了与翻译状态的多方面相关性。此外作者在m6A修饰中观察到大量的种内变异，这是一种自然变异，被证明部分由基因特异性表达和可变剪接驱动。总之，这些发现为鉴定玉米中受m6A修饰调控的转录本提供了宝贵的资源，并为更好地理解m6A在介导基因表达调控中的自然变异铺平了道路。
材料方法：
玉米（Zea mays）自交系B73和Mo17的种子用70%乙醇灭菌1分钟，再用5%次氯酸钠溶液灭菌5分钟，用无菌水冲洗5次。将种子播种在含有蛭石和土壤混合物(1:1, v/v)的盆中，并在生长室中28℃光照环境16小时和25℃黑暗环境8小时循环生长14天。14天后，采集植物组织，立即在液氮中冷冻，并储存在-80℃中，直至RNA提取和分离。
图：玉米自交系B73中的m6A甲基化分布
图：B73和Mo17之间m6A修饰的自然变异
03 小麦： m6A全转录组测序揭示RNA m6A甲基化在小麦抗RNA病毒感染中的潜在作用
标题：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（对敏感和抗病小麦品种的m6A全转录组测序分析揭示了病毒-宿主相互作用途径中的品种特异性m6A修饰）
发表期刊：Front Microbiol
发表日期：2021年5月26日
影响因子：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和长链非编码RNA转录后修饰中最常见的修饰。m6A甲基化已被证明与植物对病原体的抗性有关。然而，小麦（Triticum aestivum）m6A全转录组图谱及其在小麦抗小麦黄花叶病毒（wheat yellow mosaic virus，WYMV）中的潜在生物学功能尚未见报道。本研究首次绘制两个不同抗WYMV小麦品种的转录组m6A谱。通过分析m6A-seq数据，作者在WYMV感染的抗病小麦品种（WRV）和WYMV感染的敏感小麦品种（WSV）中鉴定了25752个共有m6A peaks和30582个共有m6A基因，peaks主要富集在编码序列的3'UTR区和终止密码子区。m6A-seq的GO分析和RNA-seq数据显示，m6A和mRNA水平均发生显著变化的基因与植物防御反应有关。KEGG分析显示，这些基因在植物-病原体相互作用途径中富集。作者通过MeRIP-qPCR和RT-qPCR进一步验证了m6A和mRNA水平的变化。本研究证明m6A甲基化在小麦抗WYMV中的作用，为RNA m6A甲基化在小麦抗RNA病毒感染中的潜在功能作用奠定坚实基础。
材料方法：
收集 30 株被 WYMV 感染或未感染的 yannong 999 和 yannong 24 小麦的恢复期植株。感染WYMV的yannong 24 小麦叶片出现典型的黄色花叶病症状，春季生长受阻，分蘖减少。感染WYMV的 yannong 999 植物表现出正常表型，无黄色花叶病症状。每个小麦植株组被平均分成三个混合样本，储存在−80°C，分别作为三个生物重复序列用于RNA提取、IP qPCR和m6A IP序列。
图：m6A-seq和RNA-seq数据的关联分析
参考文献：
DOI:10.1038/s41587-021-00982-9
DOI:10.1104/pp.19.00987
DOI:10.3389/fmicb.2021.656302
01 马铃薯+水稻：RNA去甲基化可以提高作物的产量和生物量
标题：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马铃薯的产量和生物量）
发表期刊：Nat Biotechnol
发表日期：2021年7月22日
影响因子：54.908
方法：田间试验、根系形态分析、组织学分析、LC–MS/MS定量分析、MeRIP-seq测序分析、RNA-seq测序分析
摘要：
m6A是植物正常发育所必需的，在调控植物生长发育中起到重要作用。FTO是动物RNA去甲基化酶，具有调控发育的功能，在植物中没有同源蛋白。本研究中，作者在粮食作物水稻和经济作物马铃薯中引入FTO，实现针对RNA修饰m6A去甲基化。结果显示在温室环境中，RNA去甲基化酶FTO表达使水稻产量增加3倍以上。田间试验结果显示，FTO表达的水稻和马铃薯产量和生物量都显著增加约50%。进一步研究发现，FTO表达可显著促进水稻根分生组织细胞增殖和分蘖牙形成，增强光合作用，并具有抗旱能力。但对成熟细胞大小、嫩茎分生组织细胞增殖、根直径、株高或倍性没有影响。FTO介导了植物RNA中大量的m6A去甲基化：poly(A) RNA中约7%去甲基化，非核糖体核RNA中m6A甲基化下调约35%。深入研究其分子机理发现，FTO介导的m6A去甲基化可以促进染色质开放和激活转录，分别使叶片中约11000个基因和根里面约7000个基因表达上调，激活多个通路。这一结果也揭示染色质上RNA m6A甲基化对植物染色质状态和基因表达的重要作用。因此植物RNA m6A甲基化调控对显著改善植物生长和作物产量具有很好的应用前景。
材料方法：
分别从15日龄水培实验的野生型WT（Nipp）、FTO 失活表达（FTOmut）、FTO 表达植物的等量（1g）嫩茎和根中提取分离Poly(A) RNA和加标对照（5pg），并进行m6A-MeRIP测序和转录组RNA-seq。
图：FTO表达提高了水稻和马铃薯的产量和生物量
图：水稻FTO介导的转录组范围m6A去甲基化位点鉴定和分析
02 玉米：m6A甲基化的自然变异及其与翻译状态的关系
标题：Natural Variation in RNA m6A Methylation and Its Relationship with Translational Status（玉米中m6A甲基化的自然变异及其与翻译状态的关系）
发表期刊：Plant Physiology
发表日期：2020年01月
影响因子：8.343
方法：m6A MeRIP-seq、Polysome Profiling、RNA-seq、RT-qPCR
摘要：
m6A是真核mRNA最丰富的RNA修饰之一。尽管已有大量证据证明m6A能影响RNA在代谢方面的功能，但其对植物翻译效率的转录后平衡的整体贡献程度仍然未知。本研究中，作者对两个玉米（Zea mays）自交系转录组范围内的mRNA m6A分布进行MeRIP-seq和多聚体分析(polysome profiling)，以评估m6A修饰与翻译状态的整体相关性。m6A修饰位点广泛分布在数千个蛋白编码基因中，只有一个共有motif，主要在3'UTR区富集，且m6A修饰在调节可变多聚腺苷酸化（APA，alternative polyadenylation）中发挥作用。更重要的是作者鉴定出m6A修饰根据其强度和基因位置显示了与翻译状态的多方面相关性。此外作者在m6A修饰中观察到大量的种内变异，这是一种自然变异，被证明部分由基因特异性表达和可变剪接驱动。总之，这些发现为鉴定玉米中受m6A修饰调控的转录本提供了宝贵的资源，并为更好地理解m6A在介导基因表达调控中的自然变异铺平了道路。
材料方法：
玉米（Zea mays）自交系B73和Mo17的种子用70%乙醇灭菌1分钟，再用5%次氯酸钠溶液灭菌5分钟，用无菌水冲洗5次。将种子播种在含有蛭石和土壤混合物(1:1, v/v)的盆中，并在生长室中28℃光照环境16小时和25℃黑暗环境8小时循环生长14天。14天后，采集植物组织，立即在液氮中冷冻，并储存在-80℃中，直至RNA提取和分离。
图：玉米自交系B73中的m6A甲基化分布
图：B73和Mo17之间m6A修饰的自然变异
03 小麦： m6A全转录组测序揭示RNA m6A甲基化在小麦抗RNA病毒感染中的潜在作用
标题：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（对敏感和抗病小麦品种的m6A全转录组测序分析揭示了病毒-宿主相互作用途径中的品种特异性m6A修饰）
发表期刊：Front Microbiol
发表日期：2021年5月26日
影响因子：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和长链非编码RNA转录后修饰中最常见的修饰。m6A甲基化已被证明与植物对病原体的抗性有关。然而，小麦（Triticum aestivum）m6A全转录组图谱及其在小麦抗小麦黄花叶病毒（wheat yellow mosaic virus，WYMV）中的潜在生物学功能尚未见报道。本研究首次绘制两个不同抗WYMV小麦品种的转录组m6A谱。通过分析m6A-seq数据，作者在WYMV感染的抗病小麦品种（WRV）和WYMV感染的敏感小麦品种（WSV）中鉴定了25752个共有m6A peaks和30582个共有m6A基因，peaks主要富集在编码序列的3'UTR区和终止密码子区。m6A-seq的GO分析和RNA-seq数据显示，m6A和mRNA水平均发生显著变化的基因与植物防御反应有关。KEGG分析显示，这些基因在植物-病原体相互作用途径中富集。作者通过MeRIP-qPCR和RT-qPCR进一步验证了m6A和mRNA水平的变化。本研究证明m6A甲基化在小麦抗WYMV中的作用，为RNA m6A甲基化在小麦抗RNA病毒感染中的潜在功能作用奠定坚实基础。
材料方法：
收集 30 株被 WYMV 感染或未感染的 yannong 999 和 yannong 24 小麦的恢复期植株。感染WYMV的yannong 24 小麦叶片出现典型的黄色花叶病症状，春季生长受阻，分蘖减少。感染WYMV的 yannong 999 植物表现出正常表型，无黄色花叶病症状。每个小麦植株组被平均分成三个混合样本，储存在−80°C，分别作为三个生物重复序列用于RNA提取、IP qPCR和m6A IP序列。
图：两个小麦品种的m6A甲基化图谱和m6A peaks分析
图：m6A-seq和RNA-seq数据的关联分析
参考文献：
DOI:10.1038/s41587-021-00982-9
DOI:10.1104/pp.19.00987
DOI:10.3389/fmicb.2021.656302
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