Plant Com｜法国研究人员揭示NLR自然表观遗传变异在植物免疫调控中的重要作用

2024年1月23日，Plant Communications在线发表了法国国家农业食品与环境研究院（INRAE）、雷恩第一大学Mélanie Jubault和Florian Veillet团队及其合作者题为“Two adjacent NLR genes conferring quantitative resistance to clubroot disease in Arabidopsis are regulated by a stably inherited epiallelic variation”的研究论文。该研究通过结合 QTL 精细定位、CRISPR/Cas9 验证以及 DNA 序列和甲基化模式的广泛分析，发现拟南芥中自然、稳定、跨代遗传的表观突变可影响两个相邻NLR基因的表达，及其控制的根肿病抗性；揭示了NLR自然表观遗传变异在植物与病原体互作过程中的重要作用。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.100824

NLR是植物最大且进化最快的基因家族之一，植物免疫机制的种内多样性与NLR的高水平序列变异息息相关。在植物中，DNA甲基化可以发生在三种序列环境中的胞嘧啶处：CG、CHG 和 CHH（其中 H 可以是 A、C 或 T），且甲基化的影响取决于目标基因组的特征（即转座元件、基因启动子或基因）。然而，NLR基因的自然表观遗传变异是否会影响植物与病原体之间的互作结果，尚不清楚。

根肿病（Clubroot）是影响十字花科作物的主要病害。该团队前期在比较抗性种Bur-0 和易感种Col-0时，找到了一个QTL位点Pb-At5.2。通过对Pb-At5.2的精细定位，该研究首先将相关基因缩小到一26kb区域（Figure 1）。同时RNA测序显示，只有AT5G47260 和 AT5G47280这两个NLR基因的表达具有显著差异。

Figure 1. Pb-At5.2的精细定位

利用CRISPR/Cas9，该研究进一步证实AT5G47260 和 AT5G47280参与了植物对根肿病的抗性。那么，是什么导致了这两个基因在Bur-0 和Col-0中的差异表达呢？该研究发现，这与AT5G47260 和 AT5G47280的周边甲基化变异有关；这两个基因周边在Col-0中被高度甲基化，从而导致两个 NLR 基因的低表达及其对病原菌的低水平抗性（Figure 2）。同时，DNA甲基化的变异与任何核苷酸变异或任何TE存在/不存在变异无关，是稳定遗传的。

Figure 2. 两个NLR基因DNA甲基化与根肿病抗性相关

通过检索拟南芥的不同自然种质，该研究发现Pb-At5.2 QTL处的DNA甲基化变异在拟南芥种质中广泛存在，并且与这两个基因的表达变异呈负相关（Figure 3）。进一步研究发现，Col-0中的24nt 小RNA（sRNA）含量要显著高于Bur-0，表明sRNA可能介导了这两个NLR周边的高甲基化；但是，RdDM通路的突变并不能影响这些甲基化，表明这些高甲基化的表观遗传变异是由不依赖于RNA的甲基化途径维持的。

Figure 3. Pb-At5.2 的表观遗传变异

可影响 AT5G47260/AT5G47280在不同种质中的表达

总而言之，该研究通过结合 QTL 精细定位、CRISPR/Cas9 验证以及 DNA 序列和甲基化模式的广泛分析，成功发现了两个NLR基因，AT5G47260和AT5G47280；并显示这两个基因周边的表观遗传变异（甲基化）直接调控了其表达水平，从而影响拟南芥自然种质对根肿病的抗性水平；揭示了自然、稳定和跨代遗传的表观遗传变异可以通过调节免疫受体的表达，在植物和病原体的互作过程中发挥重要作用。

图文来源： MPlant植物科学公众号

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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