辰山植物园合作揭示拟南芥基因表达异质性和生殖期耐热性机制

2022年11月23日，国际著名基因组学期刊Genome Biology（IF=17.906，中科院1区）在线发表了上海辰山植物园上海市资源植物功能基因组学重点实验室（原）功能基因组学与计算生物学功能研究组与中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jungnam Cho研究组合作的题目为“m⁶A RNA methylation impairs gene expression variability and reproductive thermotolerance in Arabidopsis”的研究论文，该研究提出了基因表达异质性是影响拟南芥生殖期耐热性的重要因素，而RNA m⁶A甲基化是基因表达异质性的关键。

植物生殖时期比其他发育阶段更容易受到热激的影响。之前的研究表明，未折叠的蛋白反应因子在生殖耐热性中发挥重要作用。例如，基本的亮氨酸拉链转录因子bZIP17、bZIP28和bZIP60对于维持热应激下的生育能力至关重要。拟南芥生殖阶段的耐热性也需要SPL家族转录因子SPL1和SPL12。然而作用机制并不清楚。

基因表达“噪音”(Sporadic gene expression)是一种重要的细胞特征，可增加生物体对多变环境的适应性。在单细胞生物中，“嘈杂”的转录增强了不利生长条件下的适应性。在多细胞生物中，克隆基因表达的异质性对于小鼠造血祖细胞的谱系选择很重要，线虫的肠道分化也受基因表达异质性的影响。在拟南芥中，有研究表明异质性表达的基因在胁迫响应因子中富集。因此，“嘈杂”的基因表达是一种进化保守且能增强细胞灵活反应的生物学机制。

在本研究中，通过综合利用RNA-seq和MeRIP-seq技术对拟南芥花组织和莲座叶组织进行测序，发现N6-甲基腺苷 (m⁶A)，一种在mRNA中广泛存在的RNA修饰，在拟南芥花组织中的含量显著增加，进一步分析发现RNA m⁶A甲基化在拟南芥花组织中的上调与基因表达异质性呈负相关。随机的基因表达提供了植物应对环境压力的灵活性，而减少的转录水平波动与热响应基因的激活受损有关，进而损害植物生殖期耐热性。此外，破坏RNA去甲基化酶AtALKBH10B也会导致基因表达异质性降低、热激活基因受到抑制以及植物育性大幅下降。这项研究揭示了RNA甲基化和基因表达异质性在耐热性方面的全新作用，为减轻作物因热造成的繁殖失败提供了新的思路。

论文链接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-022-02814-8

该论文上海辰山植物园上海市资源植物功能基因组学重点实验室为第一单位，（原）功能基因组学与计算生物学功能研究组课题组长杨洪星副研究员与中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jungnam Cho研究员为本文共同通讯作者，（原）科研助理王令（现中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生）、（原）科研助理庄海燕（现中国科学院分子植物科学卓越创新中心细胞结构分析平台技术人员）为论文共同第一作者。该项目得到上海市绿化与市容管理局科研攻关专项、国家自然科学基金、上海市浦江人才计划等项目的资助。

文/图：王令