Type: Article
Title: Integrated multi-omics framework of the plant response tojasmonic acid.
Author: Mark Zander, Mathew G Lewsey, Natalie MClark, et al.
Journal: Nature Plants
Published online:13 March 2020
Web Site:?https://www.nature.com/articles/s41477-020-0605-7
眾所周知，植物激素廣泛參與了植物生長、發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)等各種生理過程。植物感知激素后，通過復(fù)雜信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控植物生長和發(fā)育。茉莉酸（Jasmonic acid, JA）作為關(guān)鍵植物激素之一，能夠參與調(diào)控植物可育性、出苗過程、損傷響應(yīng)以及生長與防御平衡。雖然此前已有人已鑒定到茉莉酸的體內(nèi)受體及MYC2、MYC3等轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控機(jī)制，但植物JA整體的響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)以及對新的通路組分鑒定仍需系統(tǒng)性、全局性的研究。該研究利用轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、磷酸化修飾組以及ChIP-Seq等多種組學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)研究植物響應(yīng)茉莉酸或茉莉酮酸酯的整體網(wǎng)絡(luò)變化，并鑒定出信號傳導(dǎo)分子細(xì)節(jié)組分。
1. MYC2和MYC3靶向調(diào)控大量JA響應(yīng)相關(guān)基因
MYC2作為主調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子，協(xié)同MYC3和MYC4等次級調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子參與JA響應(yīng)基因的激活表達(dá)。作者采用myc2擬南芥突變體作為對比，對生長了3天的幼苗進(jìn)行不同時間點(diǎn)的JA處理，綜合轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、磷酸化修飾組和組蛋白修飾的多組學(xué)分析策略來揭示擬南芥JA響應(yīng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。首先，通過ChIP-Seq技術(shù)對全基因組范圍內(nèi)MYC2/ MYC3的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)分別有6736個和3982個高可信度的DNA結(jié)合位點(diǎn)，分別對應(yīng)與6178個和4092個靶基因（占擬南芥基因組23.2%），其中有3847個基因是兩者所共有，通過對此部分基因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)主要富集在JA和其他激素相關(guān)的GO terms上，主要涉及DNA結(jié)合和轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。MYC2獨(dú)有的靶基因涉及蛋白激酶功能，MYC3獨(dú)有的少數(shù)靶基因沒有明顯的蛋白功能富集。同時作者JA處理2h的幼苗和WT對照進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)占約1/3（843個）的基因直接被MYC2或MYC3協(xié)同調(diào)控。以上結(jié)果表明MYC2和MYC3是植物JA響應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄激活因子，發(fā)現(xiàn)G-box（CA[C/T]GT[G/ T]）是它們最常見的DNA基序。
2. MYC2和MYC3通過調(diào)控大量轉(zhuǎn)錄因子活性激活植物JA響應(yīng)
對JA處理不同時間擬南芥幼苗轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)共有7377個差異表達(dá)基因，上調(diào)表達(dá)基因簇與JA響應(yīng)有關(guān)，而下調(diào)基因簇則與細(xì)胞壁發(fā)育和分化相關(guān)，說明在植物防御途徑激活條件下，生長和防御系統(tǒng)發(fā)生明顯的變化。結(jié)合ChIP-Seq的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)63%的差異基因（JA處理0.5h）可能直接被MYC2和（或）MYC3結(jié)合并調(diào)控，而且含有大量轉(zhuǎn)錄因子，發(fā)現(xiàn)MYC2和MYC3協(xié)同控制大量轉(zhuǎn)錄因子以參與JA響應(yīng)過程。
植物激素間的信息通訊對細(xì)胞響應(yīng)外界環(huán)境刺激是非常關(guān)鍵的，通過對MYC2和MYC3的ChIP-Seq數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，37-59%激素相關(guān)途徑基因被MYC2和MYC3結(jié)合（JA處理24h）；發(fā)現(xiàn)了122個激素相關(guān)的TF，其中118個出現(xiàn)了差異表達(dá)。作者通過分析ChIP-seq與DAP-seq數(shù)據(jù)，對MYC2和MYC3下游的TFs網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。對JA途徑關(guān)鍵的13個轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)錄因子間形成高度連接的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，Pearson相關(guān)性分析表明STZ，ANAC055和ATAF2的靶基因與MYC2和MYC3的最為相似，且功能都與JA信號傳導(dǎo)途徑相關(guān)。隨后利用myc2擬南芥突變體驗(yàn)證MYC2的作用，發(fā)現(xiàn)缺失MYC2會減弱JA對植物的影響。以上結(jié)果表明MYC2和MYC3通過激活大量轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)來參與JA響應(yīng)并調(diào)控JA與其它植物激素信號通路的信息交流。
3. MYC2控制JA誘導(dǎo)的表觀基因組重編程
植物發(fā)育和環(huán)境刺激誘導(dǎo)的基因表達(dá)的另一個重要組成部分就是表觀基因組的重編程。JA響應(yīng)的MYC等轉(zhuǎn)錄因子激活勢必會引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化和靶基因表達(dá)水平的改變。作者利用JA處理4h和WT對照的ChIP-Seq數(shù)據(jù)進(jìn)行全基因組H3K4me3和H2A.Z的位點(diǎn)鑒定，并與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)JA處理前后，H3K4me3和H2A.Z的上千的位點(diǎn)發(fā)生明顯變化，其中有826個基因差異表達(dá)（675個基因上調(diào)，151個基因下調(diào)），進(jìn)而導(dǎo)致染色質(zhì)景觀的改變。
4. JA調(diào)控植物蛋白和磷酸化蛋白的表達(dá)
轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)常呈弱相關(guān)，因此作者在轉(zhuǎn)錄組分析的基礎(chǔ)上，又對黃化苗中蛋白和磷酸化蛋白表達(dá)情況進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)一部分結(jié)果與轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果重合，但兩種物質(zhì)的表達(dá)量卻為弱相關(guān)（Pearson相關(guān)度0.40341）。作者推測這可能也與目前研究重心在轉(zhuǎn)錄組而不在蛋白組這一現(xiàn)實(shí)相關(guān)，缺少大量的蛋白質(zhì)組的研究和相關(guān)數(shù)據(jù)。隨后，作者又對可變剪切（Alternative splicing）和異構(gòu)開關(guān)事件（Isoform-switch event）進(jìn)行了研究；認(rèn)為MYC2可能影響了JA響應(yīng)過程中的可變剪切，但無充足證據(jù)可以證明（18個目標(biāo)磷酸化剪切體均未發(fā)生差異表達(dá)）；通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，觀察到JA處理后的一個異構(gòu)開關(guān)事件。
5. 植物JA響應(yīng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的多組學(xué)模型
研究人員隨后利用蛋白質(zhì)組、磷酸化組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了聯(lián)合分析，從而更為系統(tǒng)地描繪植物JA響應(yīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，加深了對JA響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子功能的理解，也有助于鑒定新的潛在調(diào)控節(jié)點(diǎn)。在JA響應(yīng)信號通路中發(fā)現(xiàn)4366個組分，并篩選出100個最重要的組分。發(fā)現(xiàn)MYC2調(diào)控篩選后的26個（26%）組分（其中有23個在ChIP-Seq中得到驗(yàn)證）。同時發(fā)現(xiàn)MYC2通過直接調(diào)控ARF18（生長素信號通路），MKK9（乙烯信號通路）和RGL3蛋白（GA信號通路）等迅速地參與生長素、乙烯以及赤霉素的信號交流，進(jìn)而精細(xì)地調(diào)控植物包括環(huán)境響應(yīng)等各種生理功能。此外，作者發(fā)現(xiàn)STZ作為關(guān)鍵早期轉(zhuǎn)錄抑制因子，在JA響應(yīng)中有重要調(diào)控功能（優(yōu)先于其他激素和脅迫相應(yīng)通路），STZ可以抑制WRKY40、WRKY70、DDF1、ERF6以及GRX480等的表達(dá)來調(diào)控植物對機(jī)制防御、環(huán)境脅迫等生理功能響應(yīng)。
6. 小結(jié)
本文研究者利用轉(zhuǎn)錄組，蛋白組，磷酸化修飾組等多組學(xué)策略，全面研究擬南芥對茉莉酸的響應(yīng)機(jī)制，揭示了植物響應(yīng)茉莉酸的復(fù)雜的機(jī)制，包括轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，表觀基因組重編程，可變剪接以及蛋白和磷酸化修飾的蛋白變化。同時也鑒定出茉莉酸以及與其他植物激素途徑交叉通訊非常重要的交叉（cross-talk）基因（蛋白）。通過破譯重要基因主網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)絡(luò)，可以幫助我們了解整個植物對茉莉酸的系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)。借助CRISPR-Cas9等基因編輯技術(shù)，有助于我們更加全面地了解植物在防御反應(yīng)中對基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。
我們值得學(xué)習(xí)的是如何將基因表達(dá)層面（轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄組）與蛋白功能層面（蛋白組、磷酸化修飾組）的分析結(jié)合，全面闡述植物激素的響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)今植物抗逆研究中，轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組都已經(jīng)成為最常用的組學(xué)研究方法，而伴隨著相關(guān)文章大量發(fā)表，僅單轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究新穎性已有所欠缺，多組學(xué)的系統(tǒng)性研究打破這一局限，也能讓我們更深層次的了解生物學(xué)過程。
附1：通訊作者——Joseph Ecker，植物Eth通路奠基人與主要完善人；進(jìn)行大規(guī)模的T-DNA插入和篩選；發(fā)明了MethylC-Seq，用于研究甲基化。
實(shí)驗(yàn)室主頁：http://ecker.salk.edu/
附2：研究數(shù)據(jù)均已上傳至作者實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，文章中作者表明期待更深層次的數(shù)據(jù)挖掘：
