Nature Plants｜多组学数据系统分析拟南芥茉莉酸信号通
Type: Article
Title: Integrated multi-omics framework of the plant response tojasmonic acid.
Author: Mark Zander, Mathew G Lewsey, Natalie MClark, et al.
Journal: Nature Plants
Published online:13 March 2020
Web Site: https://www.nature.com/articles/s41477-020-0605-7
众所周知，植物激素广泛参与了植物生长、发育和环境响应等各种生理过程。植物感知激素后，通过复杂信号传导网络调控基因表达，进而调控植物生长和发育。茉莉酸（Jasmonic acid, JA）作为关键植物激素之一，能够参与调控植物可育性、出苗过程、损伤响应以及生长与防御平衡。虽然此前已有人已鉴定到茉莉酸的体内受体及MYC2、MYC3等转录因子的调控机制，但植物JA整体的响应网络以及对新的通路组分鉴定仍需系统性、全局性的研究。该研究利用转录组、蛋白质组、磷酸化修饰组以及ChIP-Seq等多种组学技术，系统研究植物响应茉莉酸或茉莉酮酸酯的整体网络变化，并鉴定出信号传导分子细节组分。
1. MYC2和MYC3靶向调控大量JA响应相关基因
MYC2作为主调控转录因子，协同MYC3和MYC4等次级调控转录因子参与JA响应基因的激活表达。作者采用myc2拟南芥突变体作为对比，对生长了3天的幼苗进行不同时间点的JA处理，综合转录组、蛋白质组、磷酸化修饰组和组蛋白修饰的多组学分析策略来揭示拟南芥JA响应的复杂网络。首先，通过ChIP-Seq技术对全基因组范围内MYC2/ MYC3的结合位点进行检测，发现分别有6736个和3982个高可信度的DNA结合位点，分别对应与6178个和4092个靶基因（占拟南芥基因组23.2%），其中有3847个基因是两者所共有，通过对此部分基因进行分析发现主要富集在JA和其他激素相关的GO terms上，主要涉及DNA结合和转录调控功能。MYC2独有的靶基因涉及蛋白激酶功能，MYC3独有的少数靶基因没有明显的蛋白功能富集。同时作者JA处理2h的幼苗和WT对照进行转录组测序，发现占约1/3（843个）的基因直接被MYC2或MYC3协同调控。以上结果表明MYC2和MYC3是植物JA响应的主要转录激活因子，发现G-box（CA[C/T]GT[G/ T]）是它们最常见的DNA基序。
图1 实验设计和组学数据分析
2. MYC2和MYC3通过调控大量转录因子活性激活植物JA响应
对JA处理不同时间拟南芥幼苗转录数据分析发现共有7377个差异表达基因，上调表达基因簇与JA响应有关，而下调基因簇则与细胞壁发育和分化相关，说明在植物防御途径激活条件下，生长和防御系统发生明显的变化。结合ChIP-Seq的数据分析发现63%的差异基因（JA处理0.5h）可能直接被MYC2和（或）MYC3结合并调控，而且含有大量转录因子，发现MYC2和MYC3协同控制大量转录因子以参与JA响应过程。
植物激素间的信息通讯对细胞响应外界环境刺激是非常关键的，通过对MYC2和MYC3的ChIP-Seq数据分析发现，37-59%激素相关途径基因被MYC2和MYC3结合（JA处理24h）；发现了122个激素相关的TF，其中118个出现了差异表达。作者通过分析ChIP-seq与DAP-seq数据，对MYC2和MYC3下游的TFs网络进行研究。对JA途径关键的13个转录因子进行调控网络分析，发现这些转录因子间形成高度连接的调控网络，Pearson相关性分析表明STZ，ANAC055和ATAF2的靶基因与MYC2和MYC3的最为相似，且功能都与JA信号传导途径相关。随后利用myc2拟南芥突变体验证MYC2的作用，发现缺失MYC2会减弱JA对植物的影响。以上结果表明MYC2和MYC3通过激活大量转录因子网络来参与JA响应并调控JA与其它植物激素信号通路的信息交流。
图2 MYC2和MYC3靶向调控大部分JA响应的转录因子
3. MYC2控制JA诱导的表观基因组重编程
植物发育和环境刺激诱导的基因表达的另一个重要组成部分就是表观基因组的重编程。JA响应的MYC等转录因子激活势必会引起染色质结构的变化和靶基因表达水平的改变。作者利用JA处理4h和WT对照的ChIP-Seq数据进行全基因组H3K4me3和H2A.Z的位点鉴定，并与转录组数据进行对比分析，发现JA处理前后，H3K4me3和H2A.Z的上千的位点发生明显变化，其中有826个基因差异表达（675个基因上调，151个基因下调），进而导致染色质景观的改变。
图3 JA响应的表观基因组重编程
4. JA调控植物蛋白和磷酸化蛋白的表达
转录组数据与蛋白质组数据常呈弱相关，因此作者在转录组分析的基础上，又对黄化苗中蛋白和磷酸化蛋白表达情况进行研究。发现一部分结果与转录组分析结果重合，但两种物质的表达量却为弱相关（Pearson相关度0.40341）。作者推测这可能也与目前研究重心在转录组而不在蛋白组这一现实相关，缺少大量的蛋白质组的研究和相关数据。随后，作者又对可变剪切（Alternative splicing）和异构开关事件（Isoform-switch event）进行了研究；认为MYC2可能影响了JA响应过程中的可变剪切，但无充足证据可以证明（18个目标磷酸化剪切体均未发生差异表达）；通过转录组数据分析，观察到JA处理后的一个异构开关事件。
图4 MYC2功能缺失影响蛋白和磷酸化蛋白整体变化
5. 植物JA响应调节网络的多组学模型
研究人员随后利用蛋白质组、磷酸化组和转录组学数据进行了联合分析，从而更为系统地描绘植物JA响应调控网络，加深了对JA响应的转录因子功能的理解，也有助于鉴定新的潜在调控节点。在JA响应信号通路中发现4366个组分，并筛选出100个最重要的组分。发现MYC2调控筛选后的26个（26%）组分（其中有23个在ChIP-Seq中得到验证）。同时发现MYC2通过直接调控ARF18（生长素信号通路），MKK9（乙烯信号通路）和RGL3蛋白（GA信号通路）等迅速地参与生长素、乙烯以及赤霉素的信号交流，进而精细地调控植物包括环境响应等各种生理功能。此外，作者发现STZ作为关键早期转录抑制因子，在JA响应中有重要调控功能（优先于其他激素和胁迫相应通路），STZ可以抑制WRKY40、WRKY70、DDF1、ERF6以及GRX480等的表达来调控植物对机制防御、环境胁迫等生理功能响应。
图5 JA响应网络中新成员的鉴定
6. 小结
本文研究者利用转录组，蛋白组，磷酸化修饰组等多组学策略，全面研究拟南芥对茉莉酸的响应机制，揭示了植物响应茉莉酸的复杂的机制，包括转录因子调控网络，表观基因组重编程，可变剪接以及蛋白和磷酸化修饰的蛋白变化。同时也鉴定出茉莉酸以及与其他植物激素途径交叉通讯非常重要的交叉（cross-talk）基因（蛋白）。通过破译重要基因主网络和子网络，可以帮助我们了解整个植物对茉莉酸的系统响应结构。借助CRISPR-Cas9等基因编辑技术，有助于我们更加全面地了解植物在防御反应中对基因表达的调控机制。
我们值得学习的是如何将基因表达层面（转录因子、转录组）与蛋白功能层面（蛋白组、磷酸化修饰组）的分析结合，全面阐述植物激素的响应网络。在现今植物抗逆研究中，转录组与蛋白质组都已经成为最常用的组学研究方法，而伴随着相关文章大量发表，仅单转录组学的研究新颖性已有所欠缺，多组学的系统性研究打破这一局限，也能让我们更深层次的了解生物学过程。
附1：通讯作者——Joseph Ecker，植物Eth通路奠基人与主要完善人；进行大规模的T-DNA插入和筛选；发明了MethylC-Seq，用于研究甲基化。
实验室主页：http://ecker.salk.edu/
附2：研究数据均已上传至作者实验室网站，文章中作者表明期待更深层次的数据挖掘：
