植物的生物和非生物胁迫如何研究？m6A来助力 | 科研热点

RNA甲基化是指在甲基转移酶的催化下，RNA的甲基腺嘌呤被选择性地添加甲基基团的化学修饰现象。迄今为止，在RNA中已经鉴定出了超过170种化学修饰。其中，N6-甲基腺嘌呤（m6A）RNA甲基化是真核生物中最丰富的mRNA修饰形式，在基因表达调控中起着重要作用，包括转录和转录后调控。

m6A修饰广泛存在于各类生物中，包括病毒、酵母、植物和人类等高等动物。近年来，m6A在植物中的研究蓬勃发展，先后发现其在植物发育、生物和非生物胁迫响应、作物性状改良等方面的重要作用。其中，m6A在生物和非生物胁迫响应中的生物学功能包括：盐、干旱、镉、病毒侵染以及真菌感染等(图1)。今天，小编总结了4篇相关文献，为大家提供研究思路。

• 案例一：m6A RNA甲基化在拟南芥耐盐胁迫中的作用

N⁶-Methyladenosine mRNA methylation is important for salt stress tolerance in Arabidopsis

发表期刊：The Plant Journal（IF₂₀₂₂=7.091）

发表时间：2021.4.12

研究背景：

N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine，m6A）是真核生物mRNA最丰富的RNA修饰，其对植物的生长发育有着重要作用。目前，已经证实m6A对植物的胚胎发育、开花时间、小孢子生成和果实成熟都有着重要的调控作用。不仅如此，前期的mRNA全转录组m6A测序中发现大量的胁迫相关转录本包含了甲基化修饰，然而， m6A在植物应对环境胁迫的调控作用还知之甚少。

研究结果：

本研究首先对拟南芥突变体（ABIA3:MTA, MTB RNAi, vir, haikai）进行基因表达模式和表型分析发现，VIR介导的m6A甲基化修饰在拟南芥适应盐胁迫中起着重要作用。随后对野生型和vir突变体进行MeRIP-seq和RNA-seq（图2），证实VIR通过调控m6A的水平影响了基因的表达水平。此外，作者发现VIR介导的m6A甲基化通过APA促进了ATAF1、GI和GSTU17转录本3ʹUTR的显著延长。综上所述，本研究结果强调了表观转录组mRNA甲基化在拟南芥盐胁迫响应中的重要作用，并表明在胁迫适应过程中，m6A甲基化与3ʹUTR长度和mRNA稳定性之间存在密切联系。

• 案例二：m6A RNA甲基化在棉花干旱应答中的作用

N6-methyladenosine RNA modification regulates cotton drought response in a Ca²⁺ and ABA-dependent manner

发表期刊：Plant Biotechnology Journal（IF₂₀₂₂=13.263）

发表时间：2023.3.22

研究背景：

棉花(Gossypium hirsutum L.)作为天然纤维和食用油的来源，是世界范围内重要的经济作物。干旱胁迫是影响棉花生产的主要非生物逆境因素。研究棉花干旱胁迫应答的分子机制，挖掘抗旱的关键调控因子并加以利用，进而培育耐旱性棉花品种，是解决棉花抗旱资源贫乏及提高水资源利用率的有效途径。目前，棉花抗旱机制的研究大多停留在基因转录水平的调控，棉花干旱应答过程中转录后mRNA修饰层面的调控机制仍不清楚。

研究结果：

本研究首先对棉花抗旱品种ZY168和敏旱品种ZY7进行MeRIP-seq，构建全转录水平的m6A修饰图谱。分析发现在干旱胁迫下，m6A分布表现出显著差异。棉花中m6A修饰主要集中在基因的3′UTR区，干旱胁迫使m6A含量升高，即抗旱品种中5′UTR区富集了更多的m6A修饰（图3）。此外，作者发现干旱条件下增加的m6A丰度与增加的mRNA丰度相关，即m6A修饰通过调节基因mRNA丰度正调控棉花抗旱性。结果表明，去甲基化酶GhALKBH10B降低了棉花的m6A水平，导致ABA合成及信号途径相关基因和Ca²⁺相关基因的mRNA丰度降低，GhALKBH10B突变体植株抗旱性增强。总之，作者揭示了一种新的转录后修饰机制，通过介导ABA和Ca²⁺信号转导途径中靶向转录物的m6A甲基化，参与调控棉花的干旱应答过程。

• 案例三：m6A RNA甲基化在镉胁迫下大豆根系生长中的作用

Changes in the m6A RNA methylome accompany the promotion of soybean root growth by rhizobia under cadmium stress

发表期刊：Journal of Hazardous Materials（IF₂₀₂₂=14.224）

发表时间：2022.8.31

研究背景：

镉（Cd）是土壤中分布最广泛的重金属污染物，对作物产量和人类健康具有较大危害。根瘤菌可以在重金属污染的情况下促进大豆的生长，豆科植物- 根瘤菌共生体可用于促进重金属污染下的植物修复，但其中的机制尚不明确。

研究结果：

本研究首先对有/无根瘤菌的Cd胁迫下大豆根系进行了MeRIP-seq，分析发现大豆根系m6A修饰集中在转录本的3'UTR，且与转录本丰度呈正相关，在Cd胁迫下，转录组范围的m6A RNA甲基化峰增加（图4）。随后通过MeRIP-seq和RNA-seq联合分析，鉴定出154个同时存在差异m6A RNA甲基化和差异基因表达的转录本。注释结果显示这些基因与Ca²⁺稳态、ROS通路、多胺代谢、MAPK信号、激素和生物应激反应等相关。在施加根瘤菌后的Cd胁迫组中鉴定出176个差异甲基化和差异表达的转录物。与仅Cd胁迫的差异基因相比，在施加根瘤菌后的Cd胁迫组中还富集与生长素、茉莉酸和油菜素类固醇相关以及非生物胁迫耐受性的基因，且只发现较少的与Ca²⁺稳态相关的基因，此外还发现了多个在豆科植物与根瘤菌共生中具有已知功能的候选基因。这些发现为在Cd胁迫下根瘤菌如何促进大豆根生长提供了新的见解，并为理解植物面对重金属胁迫的反应和豆科植物在植物修复中的应用提供了候选基因。

• 案例四：m6A RNA在梨响应火疫病过程中的作用

Multi-Omics Analysis Reveals the Dynamic Changes of RNA N6-Methyladenosine in Pear (Pyrus bretschneideri) Defense Responses to Erwinia amylovora Pathogen Infection

发表期刊：Frontiers in Microbiology（IF₂₀₂₂=6.064）

发表时间：2022.2.10

研究背景：

病原菌Erwinia amylovora引起的火疫病是梨以及其他蔷薇科植物最具破坏性的疾病之一。了解这种宿主-病原体相互作用的机制对于阐明火枯病的发病机制至关重要。然而，梨对于该病菌抗性和易感性的潜在分子机制尚不明确。研究发现，m6A RNA甲基化在模式植物中具有多种作用，但梨中的m6A的分布以及m6A对植物防御反应的调控作用几乎是未知的。

研究结果：

本研究对健康和接种病原菌的梨幼苗进行RNA-seq和MeRIP-seq，以评估火疫病菌Erwinia amylovora对梨幼苗基因的转录水平和转录后修饰的影响。在感染组中检测到2,935个特异的m6A位点，这些位点可能增加防御相关转录本的丰度，从而增强梨对火疫病的抵抗力（图5）。该研究还发现，m6A甲基化的程度与转录本水平呈显著正相关，这表明m6A在植物响应中扮演了调节作用。这些发现有助于加深人们对m6A修饰调控植物响应机制的认识，为探索梨及其他水果作物的防病途径和改良传统育种提供了新的方向和方法。

1. 整体水平检测，可提供Dot-blot和LC-MS/MS；

2. 转录组水平的检测，可提供基于特异性抗体的测序技术MeRIP-seq