Nature Plants|RNA修饰在水稻翻译重编程中调控抗病性的新机制

文摘   2024-10-14 18:03   中国香港  

稻瘟病 / 水稻 / RNA修饰 / 抗病性

RNA修饰是转录后调控中一种重要的表观遗传修饰方式,广泛存在于动物、植物和微生物等物种中。研究表明,RNA修饰可以通过调控细胞内RNA的剪切、稳定性和翻译效率等,影响RNA功能、蛋白丰度,进而影响细胞分化、发育、胁迫响应等各种生物学过程。但是,在植物中关于RNA修饰仍存在大量未知,比如病原菌侵染植物时RNA修饰动态调控转录后重编程的分子机制仍不清楚。
由稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的病害,对水稻的生长造成了很大的威胁。当病原侵袭后,植物迅速进行转录后重编程,其中选择性翻译mRNA是调控蛋白质丰度的重要机制。翻译因子在翻译的启动、延伸、终止和回收中发挥作用,mRNA的5′帽结构被eIF4复合物识别以招募翻译机器。
植物通过模式触发免疫(PTI)和效应器触发免疫(ETI)构建两层先天免疫系统。PTI期间,翻译元件的招募受上游开放阅读框、富含嘌呤的基序和双链RNA结构的影响,多聚(A)结合蛋白PAB2的磷酸化可增强翻译效率。
有研究发现,表观修饰(如m1A、2'O-Nm、ac4C、m5C、m6A和m7G)调控mRNA翻译。其中ac4C修饰存在于人类、古菌和植物的mRNA中,并在调节RNA翻译和稳定性方面发挥重要作用,但其在植物-病原体相互作用中的作用仍不明。
2024年9月24日,Nature Plants上线了一篇关于稻瘟病调控机制的研究论文,“Dynamics of epitranscriptomes uncover translational reprogramming directed by ac4C in rice during pathogen infection”。该研究观察到了稻瘟感染后水稻的全局翻译重编程现象,并发现ac4C修饰的动态变化在应对稻瘟入侵时对翻译调控起重要作用,揭示了在植物免疫反应中的关键翻译调控机制。

图1. M. oryzae感染期间转录组、脂质和茉莉酸的动力学变化

在水稻感染稻瘟病菌后,通过RNA-seq和Ribo-seq核糖体印迹分析技术解析了翻译变化,共鉴定出1,672个翻译效率提升的转录本和1,340个翻译效率降低的转录本。相关性分析表明,具有RNA修饰的mRNA比不具有RNA修饰的mRNA展现更高的丰度和翻译效率。
GO聚类分析表明,在稻瘟病侵染后,生长发育进程相关基因的mRNA翻译效率显著降低,而翻译效率提高的转录本则富集于免疫反应和代谢过程。
感染后,水稻叶片中的某些脂质底物含量显著减少,而茉莉酸(JA)及其衍生物的含量显著增加。这表明稻瘟感染引发的全局翻译重编程通过增强JA生物合成来提升免疫反应。

图2. m1A、2'O-Nm、ac4C、m5C、m6A和m7G修饰的景观和动态变化

为了揭示RNA修饰在转录后重编程中所起的关键作用,该研究系统的鉴定了稻瘟菌侵染前后翻译重编程mRNA和6种主要RNA修饰(m1A、2’O-Nm、ac4C、m5C、m6A、m7G)的差异修饰位点。

该团队发现,稻瘟病侵染时,RNA乙酰化修饰动态和mRNA翻译重编程显著正相关。深入分析表明,富集于密码子第三位的RNA乙酰化修饰(ac4C)增强了脂质代谢和茉莉酸合成相关mRNA的翻译效率。

图3. ac4C修饰与M. oryzae感染期间翻译效率提高的相关性

进一步分析表明,RNA修饰在转录本的不同区域(5'UTR、CDS和3'UTR)的密度分布不同:m1A在5'UTR和CDS富集,2’O-Nm、m5C和m6A在3'UTR和CDS富集,而ac4C主要集中在CDS区域。

而ac4C通过CNNCN序列调控翻译效率,并且71.4%的ac4C位点位于七种氨基酸的密码子中,尤其在第三位富集(42.3%)。这一特点增强了ac4C与相应tRNA的相互作用,从而提高翻译效率。

图4. 表观转录组的分布特征和富集基序

水稻感染稻瘟病菌后,RNA乙酰转移酶OsNAT10的转录水平在6-12小时显著上调,同时mRNA中的ac4C含量显著增加。

OsNAT10敲除植株显示出ac4C含量明显降低,且在感染后表现出更长的病斑和更高的真菌生物量,抗性降低。相反,OsNAT10过表达植物显示更短的病斑和更低的真菌生物量。

这些结果表明,OsNAT10作为调控RNA乙酰化修饰的关键因子,通过调节mRNA中的ac4C水平,积极增强了水稻的稻瘟病抗性。

图5. OsNAT10通过增加ac4C水平来刺激OsAOC的翻译,直接促进JA生物合成和抗稻瘟病能力

研究发现,水稻在稻瘟感染后,乙烯基环氧化酶OsAOC mRNA的ac4C水平和翻译效率显著提高,OsNAT10的缺失导致这两者降低,影响JA合成。

OsNAT10还调控转录因子OsERF77,影响其翻译效率和ac4C水平,进而调控JA合成相关基因OsAOS2OsGLIP1OsALDH2b的表达。

OsERF77-KO植物表现出减弱的抗病性,而OsERF77-OE植物则增强抗性。最终,OsNAT10通过提高OsERF77的ac4C水平和翻译效率,促进JA合成,从而提升水稻对稻瘟的抗性。

图6. OsNAT10通过增加ac4C水平来刺激OsERF77的翻译,间接促进JA生物合成
综上所述,该研究为通过表观重编程提高作物抗病性提供了新的基因资源,并为阐明RNA修饰平衡水稻产量和抗性的分子机理奠定了坚实基础。
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