表观之非生物胁迫|AGO2蛋白通过激活BG3来提高水稻谷粒长度和增加其耐盐性

ARGONAUTE (AGO)蛋白与小的RNA活性相关，主要通过形成RNA介导的沉默复合物导致基因沉默。这些复合物通过多种机制抑制基因表达，如RNA切割、翻译抑制和以一种small RNA和AGO依赖的方式的DNA甲基化，除此之外，在拟南芥中，AGO1能与染色质结合，作为转录的转录激活子。本文介绍了AGO蛋白在盐胁迫下调控水稻的一种新机制。文章标题为ARGONAUTE2 Enhances Grain Length and Salt Tolerance by Activating BIG GRAIN3 to Modulate Cytokinin Distribution in Rice，2020年7月发表在Plant cell上一篇文章，影响因子8.538.

研究背景

在全球伴随人口增长和耕地减少的严峻环境下，粮食问题是一个十分棘手的挑战。解决这一问题的一个策略是开发盐碱化或沙漠地区的劣质土壤。但是植物在盐碱地生长时面临的非生物胁迫问题是首要解决的方面。ARGONAUTE (AGO)蛋白与小的RNA活性相关，主要通过形成RNA介导的沉默复合物导致基因沉默。这些复合物通过多种机制抑制基因表达，如RNA切割、翻译抑制和以一种small RNA和AGO依赖的方式的DNA甲基化，除此之外，在拟南芥中，AGO1能与染色质结合，作为转录的转录激活子。但其在水稻中的调控机制不清楚。

研究材料

水稻品种‘Zhonghua11’

研究技术

ChIP-seq、ChIP-qPCR和RNA-seq

研究流程

研究结

1、 AGO2过表达增加谷粒长度

制备过表达AGO2材料，AGO2突变体材料相对于野生型无差别，但是AGO2和AGO2-Flag材料相对于野生型，其获得的谷粒长度和重量都增加了，但是谷粒的宽度不改变。对比AGO2材料A2OX和AGO2-Flag材料A2FOX，AGO2材料的改变更大，叶片和谷粒长度以及谷粒数量都更多。

2、 AGO2增强抗盐能力并且正向调控ABA应答

不同的株系在盐胁迫下（200 mM NaCl）下，表现出不同的生长状况，A2FOX材料和A2OX表现出一定的耐盐性，而野生型在盐胁迫下几乎不能生长。检测盐胁迫下的脂代谢产物丙二醛（MDA）。结果显示A2OX材料的MDA水平比野生型更低。检测ABA水平发现ABA敏感性在A2OX材料的嫩芽和根中更敏感。

3、 过表达的AGO2通过激活BG3来提高基因表达

使用A2OX-4材料和野生型材料进行RNA-seq测序，测序后的结果进行差异分析，发现相对于野生型，A2OX-4材料中有1514个基因上调、584个基因下调。这样的结果表明A2OX过表达能增强基因表达。进一步GO差异基因，发现这些基因显著性富集在盐胁迫进程如胁迫应答和氧压应答。在一系列激活表达的基因中，发现BG3也被激活。BG3被报道能调控谷粒的大小。RT-qPCR证实BG3确实在A2OX材料中激活表达。而BG3过表达材料BG3OX和BG3突变株bg3-D材料的谷粒大小和叶片都有增加。选取4个A2OX-4中差异表达的基因在A2OX和BG3OX材料中进行验证发现这些基因也是表达增加的。进一步BG3-D材料的RNA-seq的差异表达分析显示bg3-D中55.9%（301/538）的差异基因在A2OX也差异表达，其中93.3%（279/301）在BG3和AGO2中都表达上调。这些都表明BG3介导AGO2诱导调控一系列基因。

4、BG3正向调控盐胁迫和ABA应答

Bg3-D和BG3OX材料以及野生型材料进行盐胁迫处理，野生型几乎死光，但是Bg3-D和BG3OX材料存活率超过80%。但是bg3敲除材料对盐胁迫尤其敏感，表明BG3在盐胁迫应答中起重要作用。检测这些材料的ABA应答，发现bg3敲除株轻微降低ABA敏感性，而bg3-D和BG3OX显示在嫩芽和根系中ABA敏感，表明BG3也参与ABA应答。

5、BG3需要AGO2的参与来提高谷粒大小和耐盐

 将A2OX-8株的BG3进行基因敲除，发现这些BG3敲除系的植株明显在谷粒长度和植株高度都降低。并且这些植株在耐盐方面比A2OX-8较低，但是相对于野生型，还是表现出一定的耐盐和较长的谷粒长度。这些结果表明，BG3参与AGO2提高谷粒长度和耐盐性。

6、 AGO2通过表观修饰激活BG3表达

检验盐胁迫下AGO2和BG3的表达情况发现它们的表达受到盐胁迫强烈抑制，然而在A2OX过表达植株中，BG3的表达受盐胁迫强烈抑制，而AGO2仍然过量表达，表明BG3在盐胁迫下的表达可能部分独立于AGO2。将AGO2-Flag植株进行ChIP-seq（anti-flag）分析，发现AGO2富集结合BG3。ChIP-qPCR验证富集结果发现AGO2不仅富集BG3启动子区域富集，也在一定程度上富集BG3的基因编码区。

为了验证AGO蛋白是否通过表观修饰来调控基因转录，检验野生型和A2OX植株中的BG3的DNA甲基化水平和组蛋白甲基化水平，发现A2OX和野生型中BG3启动子区域的DNA甲基化水平相差无几，而组蛋白甲基化水平在A2OX中有显著性变化—H3K4me3和H3K27me3是众所周知的表观基因激活marker和表观基因抑制marker，在野生型和A2OX植株中分别进行ChIP-qPCR（anti-H3K4me3和anti-H3K27me3）实验—H3K4me3水平提高，H3K27me3水平降低。这样的结果表明，AGO2很有可能在BG3区域富集并且调控表观修饰来促进基因表达。

7、 A2OX植株中细胞分裂素发生改变

文献报道BG3表达一个假定的细胞分裂素转运体来促进细胞分裂素从茎到根的运输，作者检测了A2OX植株和野生型植株中的茎和根的不同细胞分裂素的含量。在茎秆中，iP、tZ和cZ以及几种它们的复合体的含量在A2OX中相对野生型来说显著性降低。在根中，这些细胞分裂素部分反而显著性升高：iP在野生型和A2OX都未检测到；tZ水平变化不明显；不同的cZ检测到并且在A2OX中比野生型更高；iPR和o-葡萄糖苷cZ在A2OX中减少； 葡萄糖苷iPR7、葡萄糖苷tZ9和cZR水平在A2OX中显著性增高。当检测细胞分裂素三种主要活性形式的组合水平时，作者观察到A2OX幼苗的细胞分裂素水平明显降低，但与野生型相比，根的细胞分裂素水平相应增加。这些结果进一步印证AGO2启动BG3表达并且改变细胞分裂素在植物中的分布，进而调控谷粒大小和植株胁迫应答。有趣的是，BG3只在A2OX植株的嫩芽中激活而不是根中激活表明这种调控方式是组织特异性的，这也能解释为什么细胞分裂素的分布情况在A2OX和bg3-D种不一样。

8、盐胁迫改变细胞分裂素的空间分布

为了验证细胞分裂素的分布是否与盐胁迫应答相关，作者将细胞分裂素敏感的双组份信号传感器TCSn转化入野生型水稻中，构建了一系列TCSn：GUS重组植株。将这些植株置于盐胁迫下（200 mM NaCl 4h）后检测GUS的表达情况，主根根冠和维管柱中GUS的表达明显增强。在嫩芽中GUS的表达显著性降低。这些结果表明盐胁迫诱导了根细胞分裂素水平的升高，而芽细胞分裂素水平的降低，这与A2OX植物的模式相似。进一步再来检测这些样本里的细胞分裂素的含量，结果显示相对于未处理组，iP7G水平在嫩芽中显著性增高，iP、iPR、tZ和tZR水平在嫩芽中显著性降低，其他细胞分裂素水平如cZ在嫩芽中变化较小。相反，在根中，iP和tZ水平变化较小而cZ水平显著性增高，其他共价结合体如iPR、葡萄糖苷cZ降低、iP7G、tZR和cZR增高。总之，这些分布情况与A2OX植株高度类似。结合细胞分裂素的三种主要活性形式进行比较发现盐处理植株中最显著的变化，包括地上部iP和tZ水平的降低以及根部cZ水平的升高，与A2OX植株中观察到的变化基本一致。这些结果有力地表明细胞分裂素分布的改变是植物对盐胁迫的一个主要反应。

研究结论

过表达AGO2同时增加了谷粒的大小和植株的耐盐性，这些益处的获得是通过BG3表达的表观遗传学激活获得的。研究表明，盐胁迫可以改变细胞分裂素在地上部和根系中的分布模式，表明BG3在细胞分裂素分布模式的建立中起着重要作用，而细胞分裂素在逆境响应和籽粒发育中起着重要作用。优化细胞分裂素在植物体内的分布模式是提高水稻产量、品质和抗逆性的有效途径，如过表达AGO2 (A2OX)植株。