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
眾所周知罗丰，植物激素廣泛參與了植物生長(zhǎng)寞宫、發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)等各種生理過程楣导。植物感知激素后，通過復(fù)雜信號(hào)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(zhǎng)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、出苗過程阱高、損傷響應(yīng)以及生長(zhǎng)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茬缩、MYC3等轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控機(jī)制赤惊，但植物JA整體的響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)以及對(duì)新的通路組分鑒定仍需系統(tǒng)性、全局性的研究凰锡。該研究利用轉(zhuǎn)錄組未舟、蛋白質(zhì)組圈暗、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)變化裕膀，并鑒定出信號(hào)傳導(dǎo)分子細(xì)節(jié)組分员串。
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(jí)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子參與JA響應(yīng)基因的激活表達(dá)昼扛。作者采用myc2擬南芥突變體作為對(duì)比寸齐，對(duì)生長(zhǎng)了3天的幼苗進(jìn)行不同時(shí)間點(diǎn)的JA處理，綜合轉(zhuǎn)錄組抄谐、蛋白質(zhì)組渺鹦、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)。首先蛹含，通過ChIP-Seq技術(shù)對(duì)全基因組范圍內(nèi)MYC2/ MYC3的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)毅厚，發(fā)現(xiàn)分別有6736個(gè)和3982個(gè)高可信度的DNA結(jié)合位點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)與6178個(gè)和4092個(gè)靶基因（占擬南芥基因組23.2%）浦箱，其中有3847個(gè)基因是兩者所共有吸耿，通過對(duì)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)控功能憎茂。MYC2獨(dú)有的靶基因涉及蛋白激酶功能珍语，MYC3獨(dú)有的少數(shù)靶基因沒有明顯的蛋白功能富集。同時(shí)作者JA處理2h的幼苗和WT對(duì)照進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序竖幔，發(fā)現(xiàn)占約1/3（843個(gè)）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)錄激活因子是偷，發(fā)現(xiàn)G-box（CA[C/T]GT[G/ T]）是它們最常見的DNA基序拳氢。
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(duì)JA處理不同時(shí)間擬南芥幼苗轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)共有7377個(gè)差異表達(dá)基因，上調(diào)表達(dá)基因簇與JA響應(yīng)有關(guān)蛋铆，而下調(diào)基因簇則與細(xì)胞壁發(fā)育和分化相關(guān)馋评，說明在植物防御途徑激活條件下，生長(zhǎng)和防御系統(tǒng)發(fā)生明顯的變化刺啦。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)控留特，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)過程玛瘸。
植物激素間的信息通訊對(duì)細(xì)胞響應(yīng)外界環(huán)境刺激是非常關(guān)鍵的蜕青，通過對(duì)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）糊渊；發(fā)現(xiàn)了122個(gè)激素相關(guān)的TF右核，其中118個(gè)出現(xiàn)了差異表達(dá)。作者通過分析ChIP-seq與DAP-seq數(shù)據(jù)渺绒，對(duì)MYC2和MYC3下游的TFs網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究贺喝。對(duì)JA途徑關(guān)鍵的13個(gè)轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析菱鸥，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躏鱼，ANAC055和ATAF2的靶基因與MYC2和MYC3的最為相似氮采，且功能都與JA信號(hào)傳導(dǎo)途徑相關(guān)。隨后利用myc2擬南芥突變體驗(yàn)證MYC2的作用染苛，發(fā)現(xiàn)缺失MYC2會(huì)減弱JA對(duì)植物的影響扳抽。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(hào)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(gè)重要組成部分就是表觀基因組的重編程殖侵。JA響應(yīng)的MYC等轉(zhuǎn)錄因子激活勢(shì)必會(huì)引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化和靶基因表達(dá)水平的改變贸呢。作者利用JA處理4h和WT對(duì)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(duì)比分析拢军，發(fā)現(xiàn)JA處理前后楞陷，H3K4me3和H2A.Z的上千的位點(diǎn)發(fā)生明顯變化，其中有826個(gè)基因差異表達(dá)（675個(gè)基因上調(diào)茉唉，151個(gè)基因下調(diào)）固蛾，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)度陆，因此作者在轉(zhuǎn)錄組分析的基礎(chǔ)上艾凯，又對(duì)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)果重合懂傀，但兩種物質(zhì)的表達(dá)量卻為弱相關(guān)（Pearson相關(guān)度0.40341）趾诗。作者推測(cè)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)蹬蚁。隨后恃泪，作者又對(duì)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)過程中的可變剪切犀斋，但無充足證據(jù)可以證明（18個(gè)目標(biāo)磷酸化剪切體均未發(fā)生差異表達(dá)）贝乎；通過轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，觀察到JA處理后的一個(gè)異構(gòu)開關(guān)事件叽粹。
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)組览效、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)虫几，加深了對(duì)JA響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子功能的理解锤灿，也有助于鑒定新的潛在調(diào)控節(jié)點(diǎn)。在JA響應(yīng)信號(hào)通路中發(fā)現(xiàn)4366個(gè)組分持钉，并篩選出100個(gè)最重要的組分衡招。發(fā)現(xiàn)MYC2調(diào)控篩選后的26個(gè)（26%）組分（其中有23個(gè)在ChIP-Seq中得到驗(yàn)證）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)MYC2通過直接調(diào)控ARF18（生長(zhǎng)素信號(hào)通路）每强，MKK9（乙烯信號(hào)通路）和RGL3蛋白（GA信號(hào)通路）等迅速地參與生長(zhǎng)素始腾、乙烯以及赤霉素的信號(hào)交流州刽，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。此外浪箭，作者發(fā)現(xiàn)STZ作為關(guān)鍵早期轉(zhuǎn)錄抑制因子穗椅，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奶栖、WRKY70匹表、DDF1、ERF6以及GRX480等的表達(dá)來調(diào)控植物對(duì)機(jī)制防御宣鄙、環(huán)境脅迫等生理功能響應(yīng)袍镀。
6. 小結(jié)
本文研究者利用轉(zhuǎn)錄組，蛋白組冻晤，磷酸化修飾組等多組學(xué)策略苇羡，全面研究擬南芥對(duì)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)制鼻弧，包括轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)设江，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攘轩。同時(shí)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）叉存。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(gè)植物對(duì)茉莉酸的系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)構(gòu)度帮。借助CRISPR-Cas9等基因編輯技術(shù)歼捏，有助于我們更加全面地了解植物在防御反應(yīng)中對(duì)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)錄因子够傍、轉(zhuǎn)錄組）與蛋白功能層面（蛋白組甫菠、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)冕屯。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)研究方法拂苹，而伴隨著相關(guān)文章大量發(fā)表安聘，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瓢棒，也能讓我們更深層次的了解生物學(xué)過程浴韭。
附1：通訊作者——Joseph Ecker，植物Eth通路奠基人與主要完善人脯宿；進(jìn)行大規(guī)模的T-DNA插入和篩選念颈；發(fā)明了MethylC-Seq，用于研究甲基化连霉。
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)站榴芳，文章中作者表明期待更深層次的數(shù)據(jù)挖掘：
