ChIP-seq助力揭示组蛋白修饰对植物叶毛生长发育的表观遗传调控机制
2026-08-11 来源:本站 点击次数:83
植物叶毛（trichomes）是由表皮细胞（epidermal cells）分化形成的特殊结构，具有保护植物免受生物胁迫和非生物胁迫的作用，同时也会影响植物产品的经济和观赏价值。叶毛的形成和发育受多种因素调控，包括环境、激素、转录因子和非编码因子等。组蛋白修饰在植物的基因表达、生长发育和胁迫响应中发挥重要作用。SDG26是一种组蛋白甲基转移酶，主要调控组蛋白H3K4me3、H3K36me3和H3K27me3的积累，但其在叶毛发育中的作用尚不清楚。进一步研究植物叶毛生长和发育的分子机制对于理解叶毛的形成和农业生产具有重要意义。
湖南农业大学生物科学技术学院曾璟博士为第一作者、阮颖教授、刘春林教授为共同通讯作者探索了模式植物拟南芥中的组蛋白赖氨酸甲基转移酶SDG26对叶毛生长发育的调控机制。研究通过分析sdg26突变体与野生型（Col-0）的表型差异、植物激素含量、基因表达水平以及染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）数据，揭示了SDG26通过调控H3K27me3积累水平影响叶毛相关基因表达，进而调控叶毛生长和发育的分子机制。相关研究成果以《SDG26 Is Involved in Trichome Control in Arabidopsis thaliana: Affecting Phytohormones and Adjusting Accumulation of H3K27me3 on Genes Related to Trichome Growth and Development》为题发表于《Plants 》期刊。
由特化的表皮细胞形成的植物叶毛在保护植物免受生物和非生物胁迫方面发挥着重要作用，并且也会影响植物产品的经济和观赏价值。本研究发现，拟南芥的sdg26突变体在其莲座叶（rosette leaves ）上的叶毛数量比野生型（Col-0）更多，且sdg26突变体叶毛密度显著高于Col-0。与Col-0相比，sdg26中细胞分裂素和茉莉酸的含量更高，而水杨酸含量则更低，进而有利于叶毛生长。通过检测叶毛相关基因表达水平，结果表明正调控叶毛生长和发育的基因表达上调，而负调控基因表达则下调。通过ChIP-seq分析结果揭示SDG26能够直接调控与叶毛生长和发育相关的基因（如ZFP1、ZFP5、ZFP6、GL3、MYB23、MYC1、TT8、GL1、GIS2、IPT1、IPT3和IPT5）表达——通过增加这些基因上的H3K27me3积累，从而进一步影响叶毛生长和发育。
本研究揭示了SDG26通过组蛋白甲基化影响叶毛生长和发育的机制，为研究组蛋白甲基化调控叶毛生长和发育的分子机制提供了理论基础，也为培育新的作物品种提供潜在指导。
结果图形
（1）SDG26对拟南芥叶毛的功能作用
研究发现，在生长中期和后期，sdg26植株的莲座叶比Col-0更大，叶毛的面积和数量也更多。在5叶期，sdg26的叶毛总数和密度分别比Col-0多44.3%和42.3%。在9叶期，sdg26的叶面积、叶毛总数和密度分别比Col-0大47%、52.2%和20.4%。在13叶期，sdg26的叶面积、叶毛总数和密度分别比Col-0多59.6%、66.8%和21.2%。此外，sdg26的三分支叶毛比例显著高于Col-0，而两分支叶毛比例则显著低于Col-0。表明SDG26功能缺失会促进拟南芥的叶毛发生，并对叶毛形态发育的稳定性有积极影响。
(B) 不同生长阶段拟南芥第二真叶（second true leaf，STL）的表型及叶毛分布。
(C) 拟南芥第二真叶面积的统计分析。
(D) 拟南芥第二真叶上的叶毛总数。
(E) 拟南芥第二真叶上叶毛的密度。
图2. Col-0和sdg26的单位面积表皮细胞数量以及不同形态叶毛的分类统计分析
(A) Col-0和sdg26第二真叶上叶毛的生长情况。
(B-D) 不同生长阶段Col-0和sdg26第二真叶上不同形态叶毛比例。
(E) 不同生长阶段Col-0和sdg26第二真叶上的叶毛数量。
（2）SDG26对植物激素的影响
研究分析了sdg26和Col-0在不同生长阶段的细胞分裂素（CK）、茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）含量。结果显示，sdg26中促进叶毛生长的CK和JA含量显著高于Col-0，而抑制叶毛生长的SA含量则显著低于Col-0。如在5叶期，sdg26中的iPR、iP、tZR、tZ和JA含量分别比Col-0高40.9%、47.1%、54.2%、63.5%和25.7%，而Col-0中的SA含量比sdg26高46.6%。表明SDG26功能缺失导致CK和JA水平升高，SA水平降低，从而促进叶毛生长和发育。
图3.不同生长阶段Col-0和sdg26中iPR、iP、tZR、tZ、JA和SA的含量(A-F)
（3）SDG26中影响叶毛生长和发育的基因表达
研究检测了与叶毛生长和发育相关的基因（如CPR5、EGL3、TTG1、GIS、GL1、GL3、SAD、MYB23、MYC1、TT8等）以及与植物激素调控叶毛发育相关基因（如ZFP1、ZFP5、ZFP6、IPT1、IPT3、IPT5等）的表达水平。结果表明，在sdg26中，正调控叶毛生长和发育的基因表达显著上调，而负调控基因表达则显著下调。如在5叶期、9叶期和13叶期，CPR5、EGL3、TTG1、GL1、GL3、SAD、MYB23、MYC1、ZFP1、ZFP5、ZFP6、IPT3和IPT5的表达显著上调，而CPC、ETC1、ETC2、JAZ1、TCL1、TRY、CKX4、CKX3和CKX5的表达显著下调。这表明SDG26通过协调正向和负向调控基因的表达来促进叶毛的形成。
图4.不同生长阶段Col-0和sdg26中与叶毛生长和发育相关的基因表达。
（4）叶毛相关基因染色质位点上的H3K27me3水平
通过ChIP-seq分析，研究发现sdg26和Col-0之间存在3163个差异peaks。功能富集分析显示，与植物激素信号相关通路显著富集，表明SDG26对植物激素的功能可能与信号有关。研究对选定基因上的H3K27me3水平进行验证，结果表明sdg26中正向调控叶毛发育的基因（如ZFP1、ZFP5、ZFP6、GL3、MYB23、MYC1、TT8、GL、GIS、IPT1、IPT3和IPT5）的染色质上H3K27me3的富集度降低。由于H3K27me3积累通常与基因表达抑制相关，因此在sdg26中，这些基因的H3K27me3积累减少导致其表达上调，从而促进拟南芥叶毛发育。
图5.综合基因组学浏览器图像显示Col-0和sdg26突变体在ZFP1、ZFP5、ZFP6、GL3、MYB23、MYC1、TT8、GL、GIS、IPT1、IPT3和IPT5位点的H3K27me3富集水平分布。
结论和启示
本研究通过对表型、激素水平、基因表达水平以及ChIP-seq等分析揭示了拟南芥中SDG26对叶毛生长发育的调控作用。分析结果揭示导致sdg26与Col-0之间叶毛密度差异一方面与植物激素含量有关。sdg26中基因表达有利于细胞分裂素的合成，而细胞分裂素则有利于叶毛的生长。另一方面与叶毛发育过程中的调控网络有关。sdg26中正向调控叶毛生长和发育的基因表达上调，而负向调控基因表达下调。
研究结果表明，sdg26中调控细胞分裂素合成以及正向调控叶毛生长和发育的基因染色质上H3K27me3积累水平低于Col-0。组蛋白赖氨酸甲基转移酶SDG26通过调控拟南芥基因上H3K27me3的积累水平参与叶毛生长和发育的调控。
ChIP-seq在本研究中发挥重要作用
研究人员通过ChIP-seq精确地定位和定量分析SDG26对叶毛相关基因染色质位点上H3K27me3修饰水平的影响。这一技术揭示了sdg26突变体中H3K27me3修饰的差异分布，从而验证了SDG26通过调节组蛋白修饰直接调控叶毛发育相关基因的表达。此外，ChIP-seq数据还为研究SDG26在植物激素信号中的作用提供了重要线索。
参考文献：
Zeng J, et al. SDG26 Is Involved in Trichome Control in Arabidopsis thaliana: Affecting Phytohormones and Adjusting Accumulation of H3K27me3 on Genes Related to Trichome Growth and Development. Plants (Basel). 2023 Apr 14;12(8) doi:10.3390/plants12081651.
湖南农业大学生物科学技术学院曾璟博士为第一作者、阮颖教授、刘春林教授为共同通讯作者探索了模式植物拟南芥中的组蛋白赖氨酸甲基转移酶SDG26对叶毛生长发育的调控机制。研究通过分析sdg26突变体与野生型（Col-0）的表型差异、植物激素含量、基因表达水平以及染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）数据，揭示了SDG26通过调控H3K27me3积累水平影响叶毛相关基因表达，进而调控叶毛生长和发育的分子机制。相关研究成果以《SDG26 Is Involved in Trichome Control in Arabidopsis thaliana: Affecting Phytohormones and Adjusting Accumulation of H3K27me3 on Genes Related to Trichome Growth and Development》为题发表于《Plants 》期刊。
由特化的表皮细胞形成的植物叶毛在保护植物免受生物和非生物胁迫方面发挥着重要作用，并且也会影响植物产品的经济和观赏价值。本研究发现，拟南芥的sdg26突变体在其莲座叶（rosette leaves ）上的叶毛数量比野生型（Col-0）更多，且sdg26突变体叶毛密度显著高于Col-0。与Col-0相比，sdg26中细胞分裂素和茉莉酸的含量更高，而水杨酸含量则更低，进而有利于叶毛生长。通过检测叶毛相关基因表达水平，结果表明正调控叶毛生长和发育的基因表达上调，而负调控基因表达则下调。通过ChIP-seq分析结果揭示SDG26能够直接调控与叶毛生长和发育相关的基因（如ZFP1、ZFP5、ZFP6、GL3、MYB23、MYC1、TT8、GL1、GIS2、IPT1、IPT3和IPT5）表达——通过增加这些基因上的H3K27me3积累，从而进一步影响叶毛生长和发育。
本研究揭示了SDG26通过组蛋白甲基化影响叶毛生长和发育的机制，为研究组蛋白甲基化调控叶毛生长和发育的分子机制提供了理论基础，也为培育新的作物品种提供潜在指导。
结果图形
（1）SDG26对拟南芥叶毛的功能作用
研究发现，在生长中期和后期，sdg26植株的莲座叶比Col-0更大，叶毛的面积和数量也更多。在5叶期，sdg26的叶毛总数和密度分别比Col-0多44.3%和42.3%。在9叶期，sdg26的叶面积、叶毛总数和密度分别比Col-0大47%、52.2%和20.4%。在13叶期，sdg26的叶面积、叶毛总数和密度分别比Col-0多59.6%、66.8%和21.2%。此外，sdg26的三分支叶毛比例显著高于Col-0，而两分支叶毛比例则显著低于Col-0。表明SDG26功能缺失会促进拟南芥的叶毛发生，并对叶毛形态发育的稳定性有积极影响。
图1. SDG26对拟南芥叶毛的作用。
(A) 不同生长阶段拟南芥莲座叶的整体表型。(B) 不同生长阶段拟南芥第二真叶（second true leaf，STL）的表型及叶毛分布。
(C) 拟南芥第二真叶面积的统计分析。
(D) 拟南芥第二真叶上的叶毛总数。
(E) 拟南芥第二真叶上叶毛的密度。
图2. Col-0和sdg26的单位面积表皮细胞数量以及不同形态叶毛的分类统计分析
(B-D) 不同生长阶段Col-0和sdg26第二真叶上不同形态叶毛比例。
(E) 不同生长阶段Col-0和sdg26第二真叶上的叶毛数量。
（2）SDG26对植物激素的影响
研究分析了sdg26和Col-0在不同生长阶段的细胞分裂素（CK）、茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）含量。结果显示，sdg26中促进叶毛生长的CK和JA含量显著高于Col-0，而抑制叶毛生长的SA含量则显著低于Col-0。如在5叶期，sdg26中的iPR、iP、tZR、tZ和JA含量分别比Col-0高40.9%、47.1%、54.2%、63.5%和25.7%，而Col-0中的SA含量比sdg26高46.6%。表明SDG26功能缺失导致CK和JA水平升高，SA水平降低，从而促进叶毛生长和发育。
图3.不同生长阶段Col-0和sdg26中iPR、iP、tZR、tZ、JA和SA的含量(A-F)
（3）SDG26中影响叶毛生长和发育的基因表达
研究检测了与叶毛生长和发育相关的基因（如CPR5、EGL3、TTG1、GIS、GL1、GL3、SAD、MYB23、MYC1、TT8等）以及与植物激素调控叶毛发育相关基因（如ZFP1、ZFP5、ZFP6、IPT1、IPT3、IPT5等）的表达水平。结果表明，在sdg26中，正调控叶毛生长和发育的基因表达显著上调，而负调控基因表达则显著下调。如在5叶期、9叶期和13叶期，CPR5、EGL3、TTG1、GL1、GL3、SAD、MYB23、MYC1、ZFP1、ZFP5、ZFP6、IPT3和IPT5的表达显著上调，而CPC、ETC1、ETC2、JAZ1、TCL1、TRY、CKX4、CKX3和CKX5的表达显著下调。这表明SDG26通过协调正向和负向调控基因的表达来促进叶毛的形成。
图4.不同生长阶段Col-0和sdg26中与叶毛生长和发育相关的基因表达。
（4）叶毛相关基因染色质位点上的H3K27me3水平
通过ChIP-seq分析，研究发现sdg26和Col-0之间存在3163个差异peaks。功能富集分析显示，与植物激素信号相关通路显著富集，表明SDG26对植物激素的功能可能与信号有关。研究对选定基因上的H3K27me3水平进行验证，结果表明sdg26中正向调控叶毛发育的基因（如ZFP1、ZFP5、ZFP6、GL3、MYB23、MYC1、TT8、GL、GIS、IPT1、IPT3和IPT5）的染色质上H3K27me3的富集度降低。由于H3K27me3积累通常与基因表达抑制相关，因此在sdg26中，这些基因的H3K27me3积累减少导致其表达上调，从而促进拟南芥叶毛发育。
图5.综合基因组学浏览器图像显示Col-0和sdg26突变体在ZFP1、ZFP5、ZFP6、GL3、MYB23、MYC1、TT8、GL、GIS、IPT1、IPT3和IPT5位点的H3K27me3富集水平分布。
结论和启示
本研究通过对表型、激素水平、基因表达水平以及ChIP-seq等分析揭示了拟南芥中SDG26对叶毛生长发育的调控作用。分析结果揭示导致sdg26与Col-0之间叶毛密度差异一方面与植物激素含量有关。sdg26中基因表达有利于细胞分裂素的合成，而细胞分裂素则有利于叶毛的生长。另一方面与叶毛发育过程中的调控网络有关。sdg26中正向调控叶毛生长和发育的基因表达上调，而负向调控基因表达下调。
研究结果表明，sdg26中调控细胞分裂素合成以及正向调控叶毛生长和发育的基因染色质上H3K27me3积累水平低于Col-0。组蛋白赖氨酸甲基转移酶SDG26通过调控拟南芥基因上H3K27me3的积累水平参与叶毛生长和发育的调控。
ChIP-seq在本研究中发挥重要作用
研究人员通过ChIP-seq精确地定位和定量分析SDG26对叶毛相关基因染色质位点上H3K27me3修饰水平的影响。这一技术揭示了sdg26突变体中H3K27me3修饰的差异分布，从而验证了SDG26通过调节组蛋白修饰直接调控叶毛发育相关基因的表达。此外，ChIP-seq数据还为研究SDG26在植物激素信号中的作用提供了重要线索。
图6.组蛋白甲基转移酶SDG26调控拟南芥叶毛生长和发育通路图
参考文献：
Zeng J, et al. SDG26 Is Involved in Trichome Control in Arabidopsis thaliana: Affecting Phytohormones and Adjusting Accumulation of H3K27me3 on Genes Related to Trichome Growth and Development. Plants (Basel). 2023 Apr 14;12(8) doi:10.3390/plants12081651.
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