WGBS揭示AtSAMS通過DNA甲基化植物花器官發(fā)育的表觀遺傳機制
花器官是植物繁殖的關鍵結構，其發(fā)育受到嚴格的遺傳調控。ABC模型是解釋花器官發(fā)育的經典理論，其中A、B、C、E功能基因分別調控萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊的形成。然而，這些基因的表達調控機制尚未完全明確。DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾，在基因調控、基因組穩(wěn)定性和植物發(fā)育中發(fā)揮關鍵作用。S-腺苷甲硫氨酸合成酶（S-adenosylmethionine synthase，SAMS）是參與S-腺苷甲硫氨酸生物合成的關鍵酶，是甲基化反應中的通用甲基供體，同時也是乙烯、多胺等生物合成的共同前體。乙烯是一種重要的植物激素，參與植物的多種生理過程，包括花器官發(fā)育。然而，SAMS如何通過甲基化和乙烯信號通路調控花器官發(fā)育尚不清楚。
近日，湖南師范大學生命科學學院胡文俐博士等為第一作者，李東屏教授、田連福博士為共同通訊以擬南芥為研究對象，探討了擬南芥S-腺苷甲硫氨酸合成酶（AtSAMS）對花器官發(fā)育的調控機制。研究發(fā)現(xiàn)，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官的正常發(fā)育。AtSAMS過表達植物（SAMOE）表現(xiàn)出花器官異常，包括花瓣、萼片和雄蕊數(shù)量減少或增加，以及雌蕊發(fā)育不全等現(xiàn)象。研究揭示了DNA甲基化水平的降低和乙烯含量的增加是導致這些異常的關鍵因子，并進一步探討了AtSAMS如何通過甲基化和乙烯信號通路調控ABCE基因的表達，從而影響花器官發(fā)育。相關研究成果以《AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway》為題發(fā)表于《Plant Science》期刊。
標題：AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway（AtSAMS 通過DNA甲基化和乙烯信號通路調控花器官發(fā)育）
發(fā)表期刊：Plant Science（IF 5.2/Q2）
技術平臺：WGBS、RNA-seq
本研究分析結果揭示了擬南芥中AtSAMS過表達植物的花器官異常發(fā)育由DNA去甲基化和乙烯信號通路共同引起。在SAMOE（AtSAMS過表達植物）中，全基因組DNA甲基化水平降低，乙烯含量增加。用DNA甲基化抑制劑處理的野生型植物表現(xiàn)出與SAMOE相似的表型和乙烯水平，這表明DNA去甲基化增強了乙烯的生物合成，從而導致花器官異常發(fā)育。DNA去甲基化和乙烯含量的增加導致了ABCE基因表達變化，而這些基因對于花器官的發(fā)育至關重要。此外，ACE基因的轉錄水平與其甲基化水平高度相關，但B基因下調可能與去甲基化無關，而由乙烯信號通路獨立引起。SAMS介導的甲基化和乙烯信號通路可能在花器官發(fā)育過程中存在相互作用。綜上所述，本研究結果表明，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路調控花器官發(fā)育。
圖形摘要：擬南芥中AtSAMS調控花器官發(fā)育的假定工作模型。
該模型提出，AtSAMS通過甲基化和乙烯信號通路調控花器官。作為乙烯合成的前體，SAM還作為甲基供體（me）參與甲基化反應。PPi表示焦磷酸鹽；Pi表示磷酸鹽。ACSs表示1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合成酶。ERFs表示乙烯響應因子。
研究方法
植物材料：使用擬南芥（Columbia-0）作為實驗材料，通過構建AtSAMS1和AtSAMS2過表達轉基因植物（SAMOE）進行研究。
全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）：通過WGBS技術分析SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平，比較野生型（WT）和SAMOE植物的甲基化差異。
RNA測序（RNA-seq）：通過RNA-seq分析SAMOE植物的轉錄組變化，檢測ABCE基因及其他基因的表達水平。
實時熒光定量PCR（qRT-PCR）：驗證RNA-seq結果，分析特定基因的表達變化。
DNA甲基化敏感PCR（McrBC-qPCR）：檢測特定基因啟動子區(qū)域的甲基化水平。
代謝物測定：測定SAM、乙烯、多胺和煙酰胺等代謝物含量。
結果圖形
（1）AtSAMS過表達（SAMOE）導致花器官異常
SAMOE植物表現(xiàn)出多種花器官異常，包括萼片轉化為雌蕊、花瓣和雄蕊數(shù)量減少等，與ABCE基因突變體或過表達株系的表型相似。
圖1：擬南芥中AtSAMS過表達導致異常的花器官表型。
（A）AtSAMS過表達植物（SAMOE）鑒定。
（B）WT、S1OE和S2OE中異常花器官（包括所有異常類型）比例。
（C）SAMOE中的異�；ㄆ鞴俦硇�。（a）野生型（WT）。（b）形成次級花，花瓣缺失。（c、d、e）萼片轉化為雌蕊且雌蕊數(shù)量增加；萼片、花瓣和雄蕊數(shù)量減少。（f）雌蕊融合不完全。（g）葉狀萼片，雄蕊發(fā)育成雌蕊。（e、h）花瓣數(shù)量減少或增加。
（D）qRT-PCR分析對WT和SAMOE中的ABCE基因進行定量分析。
（E）WT和SAMOE中S-腺苷甲硫氨酸（SAM）含量比較分析。
（2）SAMOEa植物全基因組低甲基化導致花器官異常
WGBS結果顯示，SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平顯著降低，特別是在CHG和CHH序列環(huán)境中，從而導致花器官異常。
（A）WT和SAMOE的平均甲基化率比較。
（B-C）SAMOE中參與DNA甲基化過程的基因表達水平（SAMOE與WT相比）。
（3）A、C和E基因的甲基化水平發(fā)生變化，但B基因沒有變化
WGBS和McrBC-qPCR結果表明，A、C和E功能基因的甲基化水平變化與它們的表達水平顯著相關，而B功能基因的表達變化與甲基化無關。
圖3：DNA去甲基化對擬南芥花器官的影響。
（A）5′-Aza處理或模擬處理的野生型（WT）擬南芥的花器官。（a）模擬處理（Mock）。（b-g）5′-Aza處理。（a′-e′）相應的解剖結構。
（B）在模擬處理和5′-Aza處理的花序樣本中，對基因啟動子區(qū)域進行McrBC-qPCR分析。甲基化的DNA可以被McrBC酶消化，因此更高的qRT-PCR信號表示更低的甲基化水平。
（C）通過qRT-PCR分析對模擬處理和5′-Aza處理的花序中的ABCE基因進行定量分析。
表1：ABCE基因轉錄與甲基化水平的相關性分析。
（4）SAMOE植物ABCE基因表達水平的變化
RNA-seq和qRT-PCR結果顯示，SAMOE植物中A功能基因（AP1和AP2）和B功能基因（AP3和PI）表達下調，而C功能基因（AG）和E功能基因（SEP1、SEP2和SEP3）表達上調。
（C）在WT和SAMOE樣本中對ABCE基因啟動子區(qū)域進行McrBC-qPCR分析。
（D）WT和SAMOE中差異表達基因（DEGs）的熱圖。
（E-F）SAMOE中ABCE基因的表達水平。
（5）乙烯參與調控SAMOE植物中雄蕊和雌蕊的發(fā)育
SAMOE植物的乙烯含量顯著高于WT植物，而多胺和煙酰胺含量變化不大。外源乙烯處理（ethephon）的WT植物表現(xiàn)出與SAMOE相似的花器官異常，且B功能基因表達下調，C功能基因表達上調，但這些基因的甲基化水平未發(fā)生變化。
圖5：乙烯對擬南芥花器官的影響。
（A）野生型和SAMOE中乙烯含量的比較。
（B-C）SAMOE中參與乙烯和煙酰胺（NA）合成的基因表達情況（SAMOE與WT相比）。
（D）用乙烯利處理的野生型（WT）的花器官表型。（a）模擬處理（Mock）。（b-e）乙烯利處理。（a′-c′）相應的解剖結構。
（E）通過qRT-PCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中ABCE基因表達。
（F）通過McrBC-qPCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中B功能和C功能基因啟動子區(qū)域甲基化水平。
易小結
本研究利用WGBS和對應的RNA-seq揭示了AtSAMS通過調控DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官發(fā)育。SAMOE植物中SAM含量增加，導致DNA甲基化水平降低和乙烯含量增加。DNA甲基化降低改變了ABCE基因的表達模式，從而影響花器官的正常發(fā)育。此外，乙烯信號通路也可能通過非甲基化依賴的方式調控B功能基因的表達。研究提出了一個模型，即AtSAMS通過調節(jié)SAM分配，在DNA甲基化和乙烯生物合成之間建立聯(lián)系，進而調控花器官發(fā)育。
WGBS和RNA-seq在本研究中的重要作用
WGBS：提供了SAMOE植物全基因組DNA甲基化水平的高分辨率圖譜，揭示了甲基化水平的全局變化。通過分析ABCE基因的甲基化水平，發(fā)現(xiàn)A、C和E功能基因的甲基化水平與它們的表達變化密切相關，而B功能基因的甲基化水平未發(fā)生變化。結合RNA-seq數(shù)據，揭示了DNA甲基化水平降低與基因表達下調之間的聯(lián)系，為理解AtSAMS調控花器官發(fā)育的分子機制提供了重要線索。
RNA-seq：全面分析了SAMOE植物與WT植物的轉錄組差異，鑒定出大量差異表達基因（DEGs），揭示了SAMOE植物中基因表達的整體下調趨勢。通過分析ABCE基因的表達變化，證實了SAMOE植物中這些關鍵基因的表達模式改變，并與花器官異常發(fā)育密切相關。發(fā)現(xiàn)SAMOE植物中乙烯生物合成相關基因（如ACS2/5/7/8/11）表達上調，而多胺和煙酰胺合成相關基因表達變化不大，進一步支持了乙烯在花器官發(fā)育異常中的關鍵作用。
參考文獻：
Hu W, Hu S, Li S, Zhou Q, Xie Z, Hao X, Wu S, Tian L, Li D. AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway. Plant Sci. 2023 Sep;334:111767. pii: S0168-9452(23)00184-X. doi: 10.1016/j.plantsci.2023.111767.
近日，湖南師范大學生命科學學院胡文俐博士等為第一作者，李東屏教授、田連福博士為共同通訊以擬南芥為研究對象，探討了擬南芥S-腺苷甲硫氨酸合成酶（AtSAMS）對花器官發(fā)育的調控機制。研究發(fā)現(xiàn)，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官的正常發(fā)育。AtSAMS過表達植物（SAMOE）表現(xiàn)出花器官異常，包括花瓣、萼片和雄蕊數(shù)量減少或增加，以及雌蕊發(fā)育不全等現(xiàn)象。研究揭示了DNA甲基化水平的降低和乙烯含量的增加是導致這些異常的關鍵因子，并進一步探討了AtSAMS如何通過甲基化和乙烯信號通路調控ABCE基因的表達，從而影響花器官發(fā)育。相關研究成果以《AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway》為題發(fā)表于《Plant Science》期刊。
標題：AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway（AtSAMS 通過DNA甲基化和乙烯信號通路調控花器官發(fā)育）
技術平臺：WGBS、RNA-seq
本研究分析結果揭示了擬南芥中AtSAMS過表達植物的花器官異常發(fā)育由DNA去甲基化和乙烯信號通路共同引起。在SAMOE（AtSAMS過表達植物）中，全基因組DNA甲基化水平降低，乙烯含量增加。用DNA甲基化抑制劑處理的野生型植物表現(xiàn)出與SAMOE相似的表型和乙烯水平，這表明DNA去甲基化增強了乙烯的生物合成，從而導致花器官異常發(fā)育。DNA去甲基化和乙烯含量的增加導致了ABCE基因表達變化，而這些基因對于花器官的發(fā)育至關重要。此外，ACE基因的轉錄水平與其甲基化水平高度相關，但B基因下調可能與去甲基化無關，而由乙烯信號通路獨立引起。SAMS介導的甲基化和乙烯信號通路可能在花器官發(fā)育過程中存在相互作用。綜上所述，本研究結果表明，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路調控花器官發(fā)育。
圖形摘要：擬南芥中AtSAMS調控花器官發(fā)育的假定工作模型。
該模型提出，AtSAMS通過甲基化和乙烯信號通路調控花器官。作為乙烯合成的前體，SAM還作為甲基供體（me）參與甲基化反應。PPi表示焦磷酸鹽；Pi表示磷酸鹽。ACSs表示1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合成酶。ERFs表示乙烯響應因子。
研究方法
植物材料：使用擬南芥（Columbia-0）作為實驗材料，通過構建AtSAMS1和AtSAMS2過表達轉基因植物（SAMOE）進行研究。
全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）：通過WGBS技術分析SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平，比較野生型（WT）和SAMOE植物的甲基化差異。
RNA測序（RNA-seq）：通過RNA-seq分析SAMOE植物的轉錄組變化，檢測ABCE基因及其他基因的表達水平。
實時熒光定量PCR（qRT-PCR）：驗證RNA-seq結果，分析特定基因的表達變化。
DNA甲基化敏感PCR（McrBC-qPCR）：檢測特定基因啟動子區(qū)域的甲基化水平。
代謝物測定：測定SAM、乙烯、多胺和煙酰胺等代謝物含量。
結果圖形
（1）AtSAMS過表達（SAMOE）導致花器官異常
SAMOE植物表現(xiàn)出多種花器官異常，包括萼片轉化為雌蕊、花瓣和雄蕊數(shù)量減少等，與ABCE基因突變體或過表達株系的表型相似。
圖1：擬南芥中AtSAMS過表達導致異常的花器官表型。
（B）WT、S1OE和S2OE中異常花器官（包括所有異常類型）比例。
（C）SAMOE中的異�；ㄆ鞴俦硇�。（a）野生型（WT）。（b）形成次級花，花瓣缺失。（c、d、e）萼片轉化為雌蕊且雌蕊數(shù)量增加；萼片、花瓣和雄蕊數(shù)量減少。（f）雌蕊融合不完全。（g）葉狀萼片，雄蕊發(fā)育成雌蕊。（e、h）花瓣數(shù)量減少或增加。
（D）qRT-PCR分析對WT和SAMOE中的ABCE基因進行定量分析。
（E）WT和SAMOE中S-腺苷甲硫氨酸（SAM）含量比較分析。
（2）SAMOEa植物全基因組低甲基化導致花器官異常
WGBS結果顯示，SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平顯著降低，特別是在CHG和CHH序列環(huán)境中，從而導致花器官異常。
圖2：SAMOE中DNA甲基化相關基因的甲基化率和表達水平。
（A）WT和SAMOE的平均甲基化率比較。
（B-C）SAMOE中參與DNA甲基化過程的基因表達水平（SAMOE與WT相比）。
（3）A、C和E基因的甲基化水平發(fā)生變化，但B基因沒有變化
WGBS和McrBC-qPCR結果表明，A、C和E功能基因的甲基化水平變化與它們的表達水平顯著相關，而B功能基因的表達變化與甲基化無關。
圖3：DNA去甲基化對擬南芥花器官的影響。
（B）在模擬處理和5′-Aza處理的花序樣本中，對基因啟動子區(qū)域進行McrBC-qPCR分析。甲基化的DNA可以被McrBC酶消化，因此更高的qRT-PCR信號表示更低的甲基化水平。
（C）通過qRT-PCR分析對模擬處理和5′-Aza處理的花序中的ABCE基因進行定量分析。
表1：ABCE基因轉錄與甲基化水平的相關性分析。（4）SAMOE植物ABCE基因表達水平的變化
RNA-seq和qRT-PCR結果顯示，SAMOE植物中A功能基因（AP1和AP2）和B功能基因（AP3和PI）表達下調，而C功能基因（AG）和E功能基因（SEP1、SEP2和SEP3）表達上調。
圖4：SAMOE中ABCE基因的甲基化和表達水平。
（A-B）WT和SAMOE中ABCE基因的甲基化水平的全基因組亞硫酸鹽測序（WGBS-seq）數(shù)據。（C）在WT和SAMOE樣本中對ABCE基因啟動子區(qū)域進行McrBC-qPCR分析。
（D）WT和SAMOE中差異表達基因（DEGs）的熱圖。
（E-F）SAMOE中ABCE基因的表達水平。
（5）乙烯參與調控SAMOE植物中雄蕊和雌蕊的發(fā)育
SAMOE植物的乙烯含量顯著高于WT植物，而多胺和煙酰胺含量變化不大。外源乙烯處理（ethephon）的WT植物表現(xiàn)出與SAMOE相似的花器官異常，且B功能基因表達下調，C功能基因表達上調，但這些基因的甲基化水平未發(fā)生變化。
圖5：乙烯對擬南芥花器官的影響。
（B-C）SAMOE中參與乙烯和煙酰胺（NA）合成的基因表達情況（SAMOE與WT相比）。
（D）用乙烯利處理的野生型（WT）的花器官表型。（a）模擬處理（Mock）。（b-e）乙烯利處理。（a′-c′）相應的解剖結構。
（E）通過qRT-PCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中ABCE基因表達。
（F）通過McrBC-qPCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中B功能和C功能基因啟動子區(qū)域甲基化水平。
易小結
本研究利用WGBS和對應的RNA-seq揭示了AtSAMS通過調控DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官發(fā)育。SAMOE植物中SAM含量增加，導致DNA甲基化水平降低和乙烯含量增加。DNA甲基化降低改變了ABCE基因的表達模式，從而影響花器官的正常發(fā)育。此外，乙烯信號通路也可能通過非甲基化依賴的方式調控B功能基因的表達。研究提出了一個模型，即AtSAMS通過調節(jié)SAM分配，在DNA甲基化和乙烯生物合成之間建立聯(lián)系，進而調控花器官發(fā)育。
WGBS和RNA-seq在本研究中的重要作用
WGBS：提供了SAMOE植物全基因組DNA甲基化水平的高分辨率圖譜，揭示了甲基化水平的全局變化。通過分析ABCE基因的甲基化水平，發(fā)現(xiàn)A、C和E功能基因的甲基化水平與它們的表達變化密切相關，而B功能基因的甲基化水平未發(fā)生變化。結合RNA-seq數(shù)據，揭示了DNA甲基化水平降低與基因表達下調之間的聯(lián)系，為理解AtSAMS調控花器官發(fā)育的分子機制提供了重要線索。
RNA-seq：全面分析了SAMOE植物與WT植物的轉錄組差異，鑒定出大量差異表達基因（DEGs），揭示了SAMOE植物中基因表達的整體下調趨勢。通過分析ABCE基因的表達變化，證實了SAMOE植物中這些關鍵基因的表達模式改變，并與花器官異常發(fā)育密切相關。發(fā)現(xiàn)SAMOE植物中乙烯生物合成相關基因（如ACS2/5/7/8/11）表達上調，而多胺和煙酰胺合成相關基因表達變化不大，進一步支持了乙烯在花器官發(fā)育異常中的關鍵作用。
參考文獻：
Hu W, Hu S, Li S, Zhou Q, Xie Z, Hao X, Wu S, Tian L, Li D. AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway. Plant Sci. 2023 Sep;334:111767. pii: S0168-9452(23)00184-X. doi: 10.1016/j.plantsci.2023.111767.
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