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植保所刘凤权团队在国际著名学术期刊 Nature Plants 上发表高水平学术论文
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1月25日,江苏省农科院植保所刘凤权研究员和美国威斯康星大学麦迪逊分校Xuehua Zhong(钟雪花)教授课题组合作在国际著名学术期刊Nature Plants(IF13.256)在线发表了题为“UVR8 interacts with de novo DNA methyltransferase and suppresses DNA methylation in Arabidopsis”的研究论文。该研究文章揭示了拟南芥中DNA甲基化受紫外线调节的分子机制,为选育适应强紫外线辐射的农作物新品种提供了理论基础。

DNA甲基化是一种表观遗传修饰,对于基因表达调控、沉默转座子及维持基因组稳定性至关重要。在植物中,DNA甲基化的建立依赖于RNA介导的DNA甲基化途径,由从头DNA 甲基转移酶DRM2实施,而不同类型的DNA甲基化分别由不同的蛋白进行维持。DNA甲基化一般是相对稳定的,但是也受到生物因素和非生物环境因素的影响和调节,但目前人们对环境因素调节DNA甲基化的机制还知之甚少。

UVB (280-315 nm) 是太阳光中直射到地球表面波长最短的光谱波段,对于生物大分子有损伤作用,人类皮肤的晒伤即主要由其引起。对于植物而言,UVB对其发育和环境适应具有非常重要的影响。植物因不能移动而躲避紫外线进而发展出了一系列自我保护机制。UVR8是UVB的光受体,介导植物对UVB信号感知和转导。过去的研究表明,UVR8能够与下游多个蛋白和转录因子(如COP1,WRKY36,BES1,BIM1,MYB73和MYB77等)相互作用而调节基因的表达。

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该研究以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)为对象,首先根据DRM2的免疫沉淀-质谱联用结果,鉴定到紫外线B(UVB)的受体UVR8是潜在的与DRM2相互作用的蛋白,推测UVB可能与DNA甲基化有关。为进一步明确紫外线与DNA甲基化之间的关系,该研究利用d35S:LUC,pSDC:GFP和FWA转基因等DNA甲基化分析系统,检测到UVB处理能够抑制DNA甲基化。全基因组重亚硫酸盐测序(Bisulfite-seq)发现,在全基因组水平上UVB处理能够诱导大规模的DNA低甲基化。超表达UVR8的转基因株系UVR8-OX对UVB处理更加敏感,而缺失UVR8的突变体uvr8-6对UVB不敏感,表明UVB诱导的DNA甲基化是由UVR8介导的。UVB诱导的低甲基化区域(hypo DMR)大部分与DRM2突变体中的低甲基化区域重合,而这些低甲基化区域更加倾向于富集在DNA转座子(也称II型转座子,采用“剪切-粘贴”的模式在基因组中跳跃)和DNA甲基化水平较高的区域。转录组测序证实了UVB确实能够激活一些转座子的表达。

最后,该研究通过一系列生化和分子生物学试验,证明UVR8能够与DRM2直接相互作用,且与DRM2的N末端的UBA结构域相互作用。UVB处理后, UVR8能够在细胞核中累积,与DRM2相互作用增强。体外的甲基转移酶活性测定表明,添加UVR8后,DRM2的甲基转移酶活性降低,表明UVR8与DRM2相互作用后会抑制其活性。染色质免疫沉淀(ChIP)结果也表明,UVB处理后,DRM2与染色质和DNA的结合受到抑制,并且该过程依赖于UVR8。

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图1:UVB和UVR8调节植物DNA甲基化的工作模式

综上所述,该研究揭示了UVB通过其光受体UVR8与DNA 甲基转移酶DRM2互作进而抑制植物中DNA甲基化的分子机制,丰富了人们对环境因素调节DNA甲基化机制的理解。DRM2和UVR8在高等植物中广泛存在,因此,推测在重要农作物中也存在类似机制,这为在强光照、高海拔等紫外线辐射强烈地区选育适应强光照、高海拔等紫外线辐射强烈地区性强的农作物新品种提供了理论指导。

联合培养博士后蒋建军为论文的第一作者,刘凤权与钟雪花为论文共同通讯作者。该研究得到了NIH及USDA资助,蒋建军博士受到中国博新计划和江苏省农科院博士后资金资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41477-020-00843-4