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【一区8.631分】水稻-爱基百客ChIP-seq又发文章

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【一区8.631分】水稻-爱基百客ChIP-seq又发文章

发布日期:2020-06-02 作者:爱基百客 点击:

转录因子调控下游基因的表达主要通过结合基因的启动子区招募RNA聚合酶诱导转录从而实现,而其他一些非转录因子蛋白也可诱导基因的表达,这些蛋白则是通过调控目的基因区域的表观遗传学修饰实现其调控功能,那这种调控机制如何探究呢?近日,Plant Cell 发文ARGONAUTE2 Enhances Grain Length and Salt Tolerance by Activating BIG GRAIN3 to Modulate Cytokinin Distribution in Rice 阐述了水稻AGO2蛋白通过调控BG3基因的组蛋白修饰差异从而调控BG3基因的表达,进而增加籽粒长度和耐盐性的相关机制。其中关于AGO2的ChIP-seq实验由爱基百客承担,快来看看是研究是如何开展的吧。

研究背景

作物的高产和稳产一直是作物遗传育种的重要目标,在人口日益增长的今天,盐碱土地的利用也为作物增强提供了重要的途径。AGO蛋白已经在拟南芥中证明可以调控生长发育,并且AGO蛋白也广泛参与了一些表观遗传调控(DNA 甲基化、ncRNA等),那么在水稻中AGO蛋白作用及其机制仍不清楚,该文章阐述了AGO2蛋白在提高水稻籽粒长度和耐盐性的重要作用,并对其机制进行了解析。

研究思路

ChIP-seq.png

主要结果

1、过表达AGO2增加了种子的长度和产量且提高了植株抗逆能力

首先作者构建了AGO2的过表达材料,包括过表达AGO(A2OX)和过表达Flag-AGO2(A2FOX),随着AGO2表达量的增强,两个过表达材料都表现出显著的粒长增加和粒重增加(Fig.1),说明AGO2可以提高籽粒长度和产量。通过对高盐处理下的植株表型、存活率、MDA含量检测,发现过表达材料的抗逆性皆优于野生型,通过外施ABA后对植株根、茎的长度观测,过表达材料正向调控ABA响应(Fig.2)。

ChIP-seq.png

2、AGO2过表达促进了BG3表达,进一步促进了下游基因的表达

作者对A2OX-4和野生型植物进行转录组DEGs分析,鉴定出1514个上调和584个下调的DEGs (Fig3 A) .并且前人报道与籽粒长度相关的基因BG3也存在于本次上调差异表达基因中,并且经过qPCR验证(Fig.3B)。对BG3高表的突变体材料(bg3-D)和过表达植物(BG3OX)的籽粒进行观测,发现两者籽粒与A2OX的表型非常相似(Fig.3C)。且A2OX-4差异表达的4个基因在bg3-D材料中也存在着相同的表达模式。对A2OX-4 DEGs和bg3-D DEGs关联分析发现,在bg3-D鉴定出的DEGs中,55.9%(301/538)在A2OX中也有差异表达,其中,99.3%(299/301)在同上调或下调,93.3%(279/301)在两个材料中都上调(Fig.3E),说明AGO2过表达可能是通过促进BG3基因上调,从而进一步调控下游基因。

ChIP.png

3  BG3对盐胁迫和ABA处理有调节作用且参与了AGO2促进籽粒增长和耐盐过程

盐处理下,bg3-D 和BG3OX存活率较高,都表现出较强耐盐性,且ABA处理下,地上部和根系生长的敏感性均显著增加,而BG3敲除材料则无耐盐性(Fig.4).随后作者在A2OX材料中敲除BG3,敲除材料虽然仍然具有稍长的籽粒一定耐盐性,但是相较于A2OX材料,粒长、株高、耐盐性都显著降低(Fig.5),这表明BG3至少部分参与了AGO2在促进粒长和耐盐性方面的作用。

ChIP-seq.png

4 AGO2通过表观遗传修饰激活BG3表达

盐处理后AGO2和BG3基因表达降低(Fig.6A、B),且盐处理下BG3基因表达降低同样发生在A2OX材料中,因此作者推断盐处理对BG3表达的抑制可能部分独立于AGO2。通过AGO2的ChIP-seq分析显示,AGO2在BG3启动子区显著富集,在BG3基因编码区小程度富集(Fig.6C)。之前的研究报答,AGO蛋白可能通过调控表观遗传修饰进而调控基因表达,因此作者对BG3的DNA甲基化和组蛋白甲基化进行了研究,发现DNA甲基化并未发生变化,而激活标记的H3K4me3在A2OX材料中升高(Fig.6D)而抑制性标记H3K27me3降低(Fig.6E ),该结果与拟南芥中AGO1机制类似,因此作者推测AGO2通过调节染色质修饰而起转录激活作用,BG3是其主要靶点。

ChIP-seq.png

5、盐处理下细胞分裂素分布变化与AGO2高表后模式一致。

因为BG3是一个潜在的细胞分裂素转运体,作者对AGO2高表后的细胞分裂素分布格局进行了探究(Fig.7)并对盐处理下细胞分裂素的分布格局(Fig.8)进行了比较,发现两者分布格局十分相似,表明细胞分裂素分布的改变是植物对盐胁迫的主要反应,AGO2高表调控了细胞分裂素的分布。

ChIP.png

文章总结

作者首先从过表达AGO2材料入手,证明了其在增加籽粒长度和提高耐盐性的作用,这种过表达或者突变体材料是我们阐述基因功能所必不可少的。随后以转录组为切入点,利用前人的研究,对其中的BG3基因重点关注,并通过BG3的过表达材料证明了BG3的功能以及进一步说明了AGO2调控BG3从而发挥调控功能。因为ChIP结果显示AGO2结合在基因启动子和本体区,结合AGO2蛋白特性,作者猜测其通过表观调控影响了BG3的表达,因此对BG3的DNA甲基化和组蛋白修饰进行了研究,发现AGO2主要是通过调控BG3基因区域的组蛋白修饰来影响基因的表达的。最后以调控细胞分裂素的分布格局的机制解析了AGO2提高植物耐盐性的机理所在。

文章给予我们最大的启示在于对前人研究的深度分析与借鉴,只有站在巨人肩膀上我们才能看的更远,因此对自己研究对象已有报道的全面了解是十分必要的,这对我们结果的解读以及后续实验设计指明了方向,所以在埋头钻研的时候,也看看前人发现了什么有意思的东西,说不定我们的结果也是个有意思的故事。


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关键词:转录因子,ChIP,爱基百客

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