作者:刘凤权等 来源:《自然—植物》 发布时间:2021/1/26 11:51:40
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防晒,植物也需要

 

紫外线B可抑制启动子35S的DNA甲基化。蒋建军供图

 

UVR8可抑制开花相关基因FWA的从头DNA甲基化。蒋建军供图

 

紫外线B和UVR8调节植物DNA甲基化的工作模式。蒋建军供图

植物依靠光合作用而生长。然而,过于强烈的光线对植物生长有没有不良影响?不能移动的植物有没有办法“躲避”强光照?

1月25日,《自然—植物》在线发表了江苏省农科院植保所研究员刘凤权和美国威斯康星大学麦迪逊分校教授钟雪花课题组合作成果。他们揭示了拟南芥中DNA甲基化受紫外线调节的分子机制。

而DNA甲基化是备受关注的一种表观遗传修饰,其对基因的表达调控等至关重要。防晒,对植物来说也很重要。

 

至关重要的DNA甲基化

真核生物的基因表达受多种机制、多层面的综合调控。

基因的DNA序列不发生改变的情况下,基因的表达水平与功能发生改变,并可遗传的现象,被科学家称为表观遗传现象。

论文共同通讯作者刘凤权告诉《中国科学报》,表观遗传是调控基因表达的重要途径之一。表观遗传学的调节机制主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA作用等多种形式。其中,DNA甲基化是目前研究得比较清楚的表观遗传修饰方式。

论文共同通讯作者钟雪花介绍,植物DNA甲基化发生在所有的胞嘧啶(C)序列上。在拟南芥中,全基因组范围的DNA甲基化特征主要是异染色质中的高度甲基化。

一个特定的DNA甲基化状态是由甲基化建立、维持以及主动去除的动态调控所实现的,这些过程受到多个酶的催化,并且受到不同通路的调控。

论文第一作者、江苏农科院博士后蒋建军告诉《中国科学报》,其实,DNA甲基化是非常保守的表观修饰,对于基因表达调控、沉默转座子及维持基因组稳定性至关重要。

它在植物发育中所扮演重要角色,并参与植物对生物及非生物胁迫的响应。因此,异常的DNA甲基化会导致植物的发育缺陷。

“尽管DNA甲基化相对稳定,但也受到生物因素和非生物环境因素的影响和调节。”刘凤权说。

研究表明,生物胁迫和非生物胁迫都会改变植物中DNA甲基化模式。其中,生物胁迫如丁香假单胞菌侵染,非生物胁迫如高温、缺磷、重金属、除草剂等因素。但目前人们对环境因素调节DNA甲基化的机制还知之甚少。

 

紫外线可抑制DNA甲基化

蒋建军介绍,在植物中,DNA甲基化的建立依赖于RNA介导的途径,由从头DNA 甲基转移酶(DRM2)实施,而不同类型的DNA甲基化分别由不同的蛋白进行维持。

该研究以模式植物拟南芥为对象,鉴定到紫外线B(UVB)的受体UVR8是潜在的与从头DNA 甲基转移酶相互作用的蛋白,因此推测紫外线B可能与DNA甲基化有关。

紫外线B 波长为280~315 nm,是太阳光中直射到地球表面波长最短的光谱波段,对于生物大分子有损伤作用,人类皮肤的晒伤即主要由其引起。

钟雪花说,紫外线B对植物的发育和环境适应具有非常重要的影响。植物因不能移动而躲避紫外线,进而发展出了一系列自我保护机制。

UVR8是紫外线B的光受体,它介导了植物对紫外线B的感知和转导。过去的研究表明,UVR8能够与下游多个蛋白和转录因子相互作用而调节基因的表达。

为进一步明确紫外线与DNA甲基化之间的关系,他们利用多个DNA甲基化分析系统检测到,紫外线B处理确实能够抑制DNA甲基化。

他们发现,在全基因组水平上进行紫外线B处理,能够诱导大规模的DNA低甲基化。超表达UVR8的转基因株系对紫外线B更加敏感,而缺失UVR8的突变体对紫外线B不敏感。“这表明紫外线B诱导的DNA甲基化是由UVR8介导的。”蒋建军说。

而在紫外线B诱导的低甲基化区域中,大部分与drm2突变体(缺失从头DNA甲基化酶)中的低甲基化区域重合。由于DNA甲基化的一个重要功能是沉默转座子,作者通过转录组测序证实,紫外线B确实能够上调一些转座子的表达。

 

新品种选育也需考虑耐强光照

刘凤权介绍,他们通过一系列生化和分子生物学试验证明,紫外线B通过与从头DNA 甲基转移酶直接相互作用,从而影响DNA甲基化过程。

紫外线B处理后,其受体UVR8在细胞核中累积,其与从头DNA 甲基转移酶的相互作用因而增强。进一步试验证明UVB和UVR8能够导致从头DNA 甲基转移酶的活性降低、与染色质和DNA的结合受到抑制。

该研究揭示了紫外线通过其光受体UVR8与DNA 甲基转移酶互作,进而抑制植物中DNA甲基化的分子机制,丰富了人们对环境因素调节DNA甲基化机制的理解。

“从头DNA 甲基转移酶和光受体UVR8在高等植物中广泛存在。因此,我们推测,在重要农作物中也存在类似机制,这项工作为在强光照、高海拔等紫外线辐射强烈地区选育适应性强的农作物新品种提供了理论指导。”刘凤权说。(来源:中国科学报 李晨)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-020-00843-4

 
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