近日，广西大学生命科学与技术学院李有志教授团队在国际TOP期刊Plant, Cell & Environment（中科院一区，IF=6.9）在线发表了题为DNA Methylation‐Mediated Reprogramming of Gene Expression and Flowering Under Combined Heat and Drought Stress in Maize的研究论文。
玉米起源于热带地区，是全球三大粮食作物之一， 其种植面积和总产位已位居首位。玉米喜温但不耐热，是一个生长需水大的作物。随着全球气候变暖，高（气）温（HAT）和自然土壤干旱（NSD）组合的HA-NSD异常天气发生频率明显增加，并严重威胁着玉米生产。越来越多的研究表明，植物对HAT或NSD的反应与基因组DNA甲基化、RNA的选择性剪接（AS）和基因表达密切相关。DNA甲基化被认为与基因表达转录和转录后调控有关，是一种在胁迫下获得的表观遗传变异，可以赋予植物胁迫记忆并可以将此记忆传递给下一代。然而，DNA甲基化的基因表达调控机制似乎具有物种和条件特异性。即使现在，对DNA甲基化调节基因表达机制的认识依然存在不同观点。目前，对HA-NSD胁迫下，通过全基因组DNA甲基化（WGDM）调控玉米基因的表达机制了解十分欠缺，而且鉴定出的具有明确的抗HA-NSD功能的基因数量也十分有限。
本研究以我国温带玉米骨干亲本黄早四（HZS）为材料，通过HA-NSD胁迫下的玉米全基因组甲基化、转录组、蛋白组以及功能基因鉴定等多层次方法，解析了玉米对HAT-NSD响应的分子机制。主要发现包括了：4315个差异甲基化基因（DMG）；易于发生差异甲基化（DM）的DNA基序序列；SNPs和InDels的杂合和纯合变异；RNA的差异性AS事件；染色体上的高密度和低密度DM区域；WGDM与全基因组基因表达之间存在正相关和负相关性，但这取决于DM发生的基因区域及C位点的类型（CG、CHG和CHH型甲基化）；4186个差异表达基因（DEG）；1607种差异表达蛋白（DEP）；从较少的DMG-DEG-DEP型基因数量看，全基因组DM对蛋白丰度的影响十分有限；HAT-NSD下全基因组DM可通过差异性AS及后续的差异蛋白反馈效应对全基因组基因的表达和开花进行重新编程；以及玉米Salt Overly Sensitive 基因ZmSOS3-3和ZmSOS5-2在HAT-NSD抗性和开花中的作用。根据上述发现，提出了HAT-NSD下DM驱动的玉米重编程-反馈的基因表达、基于ZmSOS3-3和ZmSOS5-2基因以及光合作用的开花抽雄的概念性模型。这些发现为深入解析玉米通过WGDM对HAT-NSD的反应机制提供了新的见解和丰富的线索。
HAT‐NSD 处理下玉米 HZS 的生长表型图1（a）及基因组中 DMC 位点数量图1（b）。图 1（a）中，HAT‐NSD 处理始于 5 叶期早期，通过在 42°C 条件下停止浇水诱导自然土壤干旱，持续 10 天，随后在 42°C 条件下恢复浇水。经 HAT‐NSD 处理的植株虽能产生雄穗，但在恢复浇水 45 天后仍无法抽出；图中展示的雄穗系人工剥离自植株顶部的“心叶”内。图1（b）中的 WGBS 数据源自三株单株基部向上数的第 8 片叶片（即三个生物学重复）。“上游”和“下游”分别指基因上游 2 kb 和下游 2 kb 的区域。DMC，差异甲基化 C 位点；HAT‐NSD，高温与自然土壤干旱复合胁迫；HZS，玉米自交系“黄早四”；PC，平行对照；WGBS，全基因组亚硫酸氢盐测序。
图1 玉米 HZS 中的基因组 DNA 甲基化
在HAT-NSD条件下表达ZmSOS3-3和ZmSOS5-2基因的转基因拟南芥。本研究对T3代转基因拟南芥进行了分析。在HAT-NSD处理前，利用RT-qPCR技术检测了各株系（每株系取3个单株的莲座叶）中ZmSOS3-3和ZmSOS5-2的表达量，图中数据以平均值±标准差（SD）表示。值得注意的是，在HAT-NSD条件下，野生型（WT）和EPT株系的花茎均过早枯死。图中柱状图上方标注的不同小写字母表示与WT相比基因表达存在显著差异（p < 0.05）。EPT：分别转化空载体pCAMBIA-1301（针对ZmSOS3-3）和pCAMBIA-2300（针对ZmSOS5-2）的对照株系；HAT-NSD：高温与自然土壤干旱复合胁迫；RT-qPCR：实时荧光定量逆转录PCR；WT：野生型。
图2 转基因拟南芥的表型
通过沉默ZmSOS3‐3和ZmSOS5‐2表达获得的玉米植株（n = 12）的鉴定图3（a）、相对基因表达水平图3（b）、地上部图3（c）及根部图3（d）。利用 VIGS 技术在玉米自交系 HZS 中沉默ZmSOS3‐3和ZmSOS5‐2的表达。图3（a）中，通过逆转录 PCR（RT-PCR）鉴定基因表达被沉默的玉米植株；在 HAT-NSD 条件下，于 VIGS 处理 25 天后，取 3 株不同植株基部向上数的第 9 片叶片，利用 RT-qPCR 检测基因的相对表达水平。图3（b）中，展示的ZmSOS3‐3和ZmSOS5‐2基因相对表达量为每株植株 3 次技术重复的平均值 ± 标准差（SD）。图中柱状图上方不同的小写字母表示基因表达存在显著差异（p < 0.05)，比较对象包括表达沉默植株/EPM与野生型（WT），以及不同表达沉默植株之间。图3（c）中，红色箭头指示雄穗。EPM，由 GV3101:pCMVF1、GV3101:pCMVZ2 2bN81‐LIC 和 GV3101:pCMVFZ3 混合菌液介导的空载体渗透处理；GV3101，根癌农杆菌菌株；HAT‐NSD，高温与自然土壤干旱复合胁迫；HZS，玉米自交系“黄早四”；Mock，渗透缓冲液处理对照；RT‐qPCR，实时定量逆转录 PCR；SD，标准差；VIGS，病毒诱导的基因沉默。
图3 通过沉默ZmSOS3‐3和ZmSOS5‐2表达获得的玉米植株
广西大学裴艳艳博士生为第一作者、宋佳明教授（现工作于西南大学农学与生物科技学院）和樊宪伟教授为共同作者，李有志教授为通讯作者。研究工作获得了国家重点研发计划项目的经费支持。
原文链接：https://doi.org/10.1111/pce.70654
一校一审 | 关家运
二校二审 | 覃文月
三校三审 | 李伟辉
