文獻(xiàn)

2023

Frontiers in plant science

Genome-wide alternative polyadenylation dynamics underlying plant growth retardant-induced dwarfing of pomegranate

課題背景

（1）石榴(Punica granatum L.)是一種在全球廣泛種植的水果柠座。它富含維生素米间，在水果中具有抗氧化和抗炎的特性炸宵，具有一定的藥用價(jià)值价说。隨著人們對(duì)石榴產(chǎn)量需求的快速增長(zhǎng)，篩選和培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的石榴品種越來越受到人們的重視。矮化栽培因其在植物光合效率、果實(shí)產(chǎn)量和抗病性等方面的優(yōu)勢(shì)而成為研究的熱點(diǎn)之一。有研究表明蚕捉，外源施加植物生長(zhǎng)阻滯劑（PGR）可以成功誘導(dǎo)石榴矮化苗。比較轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步揭示了PGR介導(dǎo)的植物生長(zhǎng)激素合成下調(diào)在石榴矮化誘導(dǎo)中發(fā)揮了核心作用柴淘。除了基因轉(zhuǎn)錄外迫淹，植物的表型還受到轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的影響，然而對(duì)于石榴的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的認(rèn)識(shí)仍然有限为严。?

（2）多聚腺苷酸化(ployA)是真核生物中一種重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制敛熬，它調(diào)節(jié) pre-mRNA的成熟。它包括兩個(gè)耦合的步驟：在mRNA前體的3 ‘端進(jìn)行核內(nèi)分解切割和在切割位點(diǎn)添加polyA尾巴第股。對(duì)于很多基因來說应民，該過程可以發(fā)生在多個(gè)位點(diǎn)，即產(chǎn)生不同長(zhǎng)度的成熟mRNA夕吻，這被稱為選擇性多聚腺苷酸化(APA)诲锹。APA事件已經(jīng)被證實(shí)在基因組中廣泛存在，如超過70%的擬南芥基因被發(fā)現(xiàn)有大于1個(gè)的ployA位點(diǎn)涉馅。雖然在多數(shù)情況下APA并不會(huì)改變mRNA的蛋白編碼區(qū)域归园，但卻可能會(huì)破壞位于3'-UTRs區(qū)域中的重要順式調(diào)控元件，最終導(dǎo)致mRNA穩(wěn)定性稚矿、定位和翻譯效率的改變庸诱。某些研究已經(jīng)突顯了APA在調(diào)控植物生長(zhǎng)、發(fā)育和抗環(huán)境壓力方面的重要功能晤揣。然而桥爽，尚未研究PGR誘導(dǎo)的矮化在石榴中的APA機(jī)制。

亮點(diǎn)

在本研究中昧识，作者重新分析了已發(fā)表的RNA-seq數(shù)據(jù)集钠四，并表征了用三種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（PGRs）——paclobutrazol、B9和甘露醇處理的石榴幼苗的全基因組APA動(dòng)態(tài)跪楞，以解讀APA介導(dǎo)的調(diào)控機(jī)制在PGR誘導(dǎo)的矮化石榴中的生物學(xué)意義。此外，作者還將APA調(diào)控與基因表達(dá)變化進(jìn)行了比較设江，旨在解析在石榴生長(zhǎng)抑制中轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制的貢獻(xiàn)加匈。

結(jié)論1?PGR誘導(dǎo)的APA在調(diào)節(jié)石榴生長(zhǎng)中起重要作用

Fig 1A

通過外緣施加PGR，與對(duì)照相比產(chǎn)生289-2553個(gè)差異表達(dá)APA基因（differentially expressed APA genes, DAGs, Fig 1A）淋叶。

Fig 1B-D

GO富集顯示阎曹，這些基因與植物生長(zhǎng)發(fā)育過程相關(guān)（Fig 1B-D)。例如煞檩，8 mg/L B9誘導(dǎo)的DAG與生長(zhǎng)素運(yùn)輸处嫌、根發(fā)育和莖尖分生組織維持相關(guān)(Fig 1B)，響應(yīng)mannitol的DAG主要參與葉片發(fā)育和衰老斟湃、光形態(tài)發(fā)生熏迹、氣孔運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞對(duì)滲透脅迫的響應(yīng)方面(Fig 1C)。6mg /L的paclobutrazol會(huì)影響生長(zhǎng)調(diào)節(jié)和細(xì)胞壁的生物合成凝赛，8mg /L處理下的DAG與葉片發(fā)育相關(guān) (Fig 1D)注暗。

對(duì)于所有PGR，高濃度處理比低濃度處理能引起更多的APA變化(Fig 1A)墓猎，這與它們對(duì)石榴幼苗生長(zhǎng)的更大抑制作用是一致的捆昏。

Fig 2A

paclobutrazol在兩個(gè)濃度下共有341個(gè)DAG，這些DAG主要與生長(zhǎng)速率和葉片衰老調(diào)控相關(guān)（Fig 2A）毙沾。相比之下骗卜，在6 mg/L和8 mg/L處理下，分別有241個(gè)和2212個(gè)基因顯示出獨(dú)特的APA事件左胞。6 mg/L paclobutrazol誘導(dǎo)的DAG主要富集于葉片發(fā)育和類囊體寇仓，而8 mg/L的paclobutrazol誘導(dǎo)的DAG主要參與細(xì)胞尖端生長(zhǎng)和氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)（Fig 2A）。這些APA事件的特異性出現(xiàn)反應(yīng)了PGR的劑量效應(yīng)烤宙，這可能有助于確定施加PGR的最佳濃度遍烦。

結(jié)論2?不同類型的PRG誘導(dǎo)不同的APA事件

Fig 2B

在不同類型的PGR處理中，APA的變化也顯示出一定的差異（Fig 2B）门烂。總的來說乳愉，外用8mg /L paclobutrazol、8mg /L B9和15g /L mannitol時(shí)分別發(fā)生了1308屯远、693和109個(gè)APA事件蔓姚，而在這三種處理中只觀察到147個(gè)APA事件。功能富集分析表明慨丐，共同發(fā)生的APA事件主要影響葉片發(fā)育和衰老坡脐、氣孔關(guān)閉、過氧化氫跨膜運(yùn)輸和細(xì)胞對(duì)氧化還原狀態(tài)的響應(yīng) (Fig 2B)房揭。相比之下备闲，8 mg/L paclobutrazol特異性誘導(dǎo)的DAG在線粒體呼吸鏈復(fù)合物晌端、類囊體、纖維素生物合成通路中富集恬砂，僅在8 mg/L B9處理下發(fā)生的DAG在生長(zhǎng)素運(yùn)輸咧纠、葉黃素生物合成和向光性方面富集（Fig 2B）。

Fig 3

核心多腺苷酸化因子的表達(dá)水平變異已被發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控APA事件泻骤。本研究中漆羔，作者首次在石榴基因組中鑒定了編碼四種類型的植物多腺苷酸化因子亞基的基因，包括CstF狱掂、CPSF演痒、PABPs和FIP1，并比較了它們?cè)诿糠N處理情景下相對(duì)于CK的表達(dá)譜趋惨。

作者發(fā)現(xiàn)鸟顺，在施加PRG后，有幾個(gè)多腺苷酸化基因顯示出差異表達(dá)器虾，這可能在APA調(diào)控中發(fā)揮重要作用（Fig 3）讯嫂。值得注意的是，這些基因的表達(dá)在不同處理中也顯示出豐富的特異性曾撤。在所有三種PRG中端姚，只有PABP 7B基因，在基因表達(dá)中表現(xiàn)出普遍的差異（Fig 3）挤悉。

結(jié)論3?APA和基因表達(dá)變化在生長(zhǎng)調(diào)控中發(fā)揮相對(duì)獨(dú)立的作用

Fig 4A-C

為了探索基因轉(zhuǎn)錄和APA動(dòng)態(tài)在調(diào)控植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑引起的石榴矮化中的不同作用渐裸，作者將在每種處理中確定的DAGs與相應(yīng)情景的DEGs進(jìn)行了比較。在植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑處理時(shí)装悲，大多數(shù)基因在基因表達(dá)或APA方面都受到特定調(diào)控（Fig 4）昏鹃。例如，在6 mg/L的paclobutrazol中的582的DAG中诀诊，有24個(gè)（占4.1%）表現(xiàn)出差異表達(dá)洞渤，在8 mg/L的paclobutrazol中的2553的DAG中，有572個(gè)（占22.4%）表現(xiàn)出差異表達(dá)属瓣。

由6 mg/L的paclobutrazol誘導(dǎo)的差異表達(dá)特異性基因在細(xì)胞增殖载迄、生長(zhǎng)素生物合成和油菜素醇應(yīng)答方面表現(xiàn)出較高的富集（Fig 4B），特異性DAG主要與生長(zhǎng)調(diào)控抡蛙、果膠酯酶活性以及水楊酸相關(guān)（Fig 4C）护昧。

Fig 4D-F

在施加8 mg/L的paclobutrazol時(shí)，與CK相比粗截，與超氧化物歧化酶活性和根毛伸長(zhǎng)相關(guān)的基因可能會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的差異表達(dá)（Fig 4E）惋耙，而參與纖維素生物合成、氧化應(yīng)激調(diào)控以及對(duì)水楊酸和煙堿應(yīng)答的基因顯示出不同的APA使用情況（Fig 4F）。

結(jié)論4?3’ UTR的長(zhǎng)度變化會(huì)影響microRNA的靶點(diǎn)

Fig 5A-B

有研究發(fā)現(xiàn)绽榛，APA事件還可以在轉(zhuǎn)錄后和翻譯水平上顯著調(diào)節(jié)基因表達(dá)湿酸。與CK相比，在植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑處理的幼苗中灭美，DAGs顯示出對(duì)使用遠(yuǎn)端ployA位點(diǎn)的全局偏好（Fig 5A-B）推溃。例如，在處理8 mg/L的paclobutrazol時(shí)冲粤，有2360個(gè)DAGs表現(xiàn)出更多使用具有較長(zhǎng)3‘ UTR美莫，而只有305個(gè)基因使用更近的poly A位點(diǎn)（Fig 5B）。這些加長(zhǎng)的3’ UTR被認(rèn)為能夠容納更多的miRNA靶點(diǎn)梯捕，從而通過影響穩(wěn)定性進(jìn)一步調(diào)節(jié)mRNA的豐度。通過預(yù)測(cè)窝撵，作者發(fā)現(xiàn)相對(duì)于較短的3‘ UTR傀顾，較長(zhǎng)的3' UTR被推斷含有額外的miRNA靶點(diǎn)，比例為65.99%–74.07%（Fig 5A-B）碌奉。

Fig 5C-E

作者鑒定到61個(gè)轉(zhuǎn)錄本受到3‘ UTR長(zhǎng)度變化的影響短曾，包含了超過10個(gè)潛在的miRNA靶點(diǎn)（Fig 5C）。這些miRNAs中赐劣，大多數(shù)既包括構(gòu)成性miRNAs（存在于具有短和長(zhǎng)3’ UTR的異構(gòu)體中）也包括加長(zhǎng)3‘ UTR特異miRNAs嫉拐，被確認(rèn)在相應(yīng)mRNA的剪切中發(fā)揮作用，而9.00%-12.73%的延長(zhǎng)3’ UTR特有的miRNAs被認(rèn)為抑制mRNA的翻譯（Fig 5D）魁兼。

更重要的是婉徘，多達(dá)259個(gè)具有加長(zhǎng)3‘ UTR的DAGs被miRNAs靶向，并在植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑處理下顯著下調(diào)表達(dá)咐汞。在處理8 mg/L的paclobutrazol時(shí)盖呼，通過miRNA介導(dǎo)的表達(dá)下調(diào)的基因在發(fā)育生長(zhǎng)、側(cè)根分枝化撕、保持芽尖分生組織特征以及對(duì)異煙肼的細(xì)胞應(yīng)答等GO術(shù)語(yǔ)中富集几晤，凸顯了它們?cè)谡{(diào)控石榴幼苗生長(zhǎng)和發(fā)育中的重要作用（Fig 5E）。

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