2022年8月，中国科学院植物研究所植物资源重点实验室在Plant Biotechnology Journal杂志上在线发表了一篇题为“m6A -mediated
regulation of crop development and stress responses”的综述，作者对m6A介导的作物发育及胁迫反应调控的最新进展予以总结，并就m6A表观转录组在未来作物改良方面的潜在应用展开了展望。![]()
![]()
N⁶ - 甲基腺苷（m6A）作为最为丰富且具有特色的RNA 化学修饰对 mRNA具有关键作用。已有实验证明，m6A甲基化在体内是可逆的，是由甲基转移酶、去甲基化酶和m6A识别蛋白协同作用的结果。在拟南芥中，m6A机制具有多种生理作用，在调节生长发育过程，m6A 甲基转移酶复合物的核心是FIP37 ，该核心通过负调控几个关键茎尖分生组织基因的 mRNA 稳定性，参与维持茎尖分生组织的正常增殖。去甲基化酶 AtALKBH10B介导的 m6A 去除可提高促花基因的mRNA 稳定性，从而正向调节开花转变。m6A还介导拟南芥的胁迫反应。人类 FTO 介导的植物m6A去甲基化使水稻和马铃薯增产，这表明m6A甲基化调节具有改善作物的潜力，本文对相关进展进行了总结并展望了应用和挑战。随着高通量m6A测序技术 (m6A - seq) 的应用，研究人员已经在各种植物物种的转录组水平上发现了转录本特异性的m6A定位和富集。在拟南芥中，数千个转录本含有m6A修饰，这些修饰优先分布在终止密码子周围或3’端的非翻译区 (UTR)。 这种分布偏好在几种重要作物中是保守的，包括水稻（Oryza
sativa）、玉米（Zea mays）、小麦（Triticum
aestivum）、番茄（Solanum
lycopersicum）和甜高粱（Sorghum
bicolor）（图 1）。 最近的一项研究比较了 13种代表性植物物种跨越 5 亿年进化的m6A甲基化组，并证实了m6A修饰在终止密码子和 30个 UTR 区域中的保守分布。 特别是草莓（Fragaria
vesca）中的m6A修饰除了出现在终止密码子和 3’- UTR 区域外，还可能在邻近起始密码子的编码序列（CDS）区域高度富集（图 1）。 这种独特的CDS 出现在成熟的草莓果实中，而不是未成熟的果实中，表明它具有成熟特异性的m6A特征。此外，在苹果（Malus
Domestica）和小白菜（Brassica
rapa）的叶子中，m6A修饰在CDS区域最为丰富，其次是3’UTR区域。所以，m6A在终止密码子周围或3’UTR中的分布在拟南芥、水稻、玉米、小麦、番茄、甜高粱、草莓、苹果和小白菜等多种植物中可能是保守的，而m6A在CDS区域的沉积可能是具发育阶段特异性或组织特异性。 目前，与这种分布特征相关的诱因尚不明确。 拟南芥的一项近期研究表明，H3K36me2组蛋白标记有助于 3’-UTR 中m6A的优先沉积。 这一发现为我们研究m6A在农作物中分布的相关机制提供了有价值的思考。2.农作物中的m6A基序
研究者进行 m6A-seq分析发现 拟南芥m6A甲基化发生在 RRACH序列。随后的研究在拟南芥中发现了植物特有的m6A基序 URUAH，该基序主要位于 3’- UTR 内，并且是reader蛋白 ECT2 的靶标。 这些结果表明拟南芥拥有两个不同的m6A基序。 值得注意的是，最近的一项研究声称URUAY 不是m6A基序，但它在规范RRACH 基序的外围相当丰富。m6A标记存在于水稻、玉米、小麦、模式植物拟南芥，符合RRACH和 URUAH 基序（图 1）。 草莓和甜高粱具有保守的RRACH 基序，而苹果具有植物特有的 URUAH基序（图 1）。 这两种不同的基序可能广泛存在于大多数作物中，并且可以在特定的生物过程中单独识别。 此外，小白菜中m6A的共有序列似乎是 AAACCV并且在水稻花药中鉴定了四个新的m6A基序，其中 WKUAH最为丰富（图 1）。这些发现表明作物中的m6A修饰涉及复杂的序列偏好。然而，我们目前还不知道m6A机制如何实现对某些基序序列的选择性以完成m6A的修饰、去除和识别。一种可能的情况是，它们可以通过以下方式定位到不同的序列上下文，即与识别转录本不同特征的RBP 相互作用。![]()
图1.m6A基序和转录本在拟南芥和作物不同组织中的分布偏好。
m6A对作物 mRNA 代谢的调节
1.作物中 mRNA 稳定性的调节
通过结合全转录组m6A - seq和RNA
- seq分析，在不同生理条件下，揭示了水稻、玉米、番茄、草莓和小白菜中m6A修饰与mRNA丰度之间的潜在关系。在水稻根部受到镉胁迫威胁，或小白菜幼苗经过高温处理时，尽管有数千个转录本在这些胁迫条件下表现出差异的m6A富集或基因表达，但没有确定m6A修饰与mRNA丰度之间的确切相关性。然而，在用生长素类似物2,4-D 培养的玉米胚胎中发现 m6A甲基化和 mRNA 水平之间呈正相关。此外，位于终止密码子或3'-UTR 区域内的 m6A 修饰对正常生长的玉米幼苗、番茄果实和草莓果实中的mRNA 丰度的负向调节作用，而成熟草莓果实 CDS 区域富集的 m6A 往往会正向调节mRNA 水平。并且，m6A 修饰对mRNA 丰度的不同影响与 m6A 对mRNA 稳定性的独特影响相关，因为 m6A 沉积在终止密码子周围或3'-UTR 区域内具有降低 mRNA 稳定性的能力，而CDS 区域中的 m6A 会促进mRNA 稳定性。然而，其根本机制需要阐明。2.作物翻译效率的调节
虽然当前并不清楚拟南芥中 m6A 修饰是否参与介导mRNA 翻译效率，但是一些关于作物的研究在这一问题上给出了肯定答案。在玉米幼苗中，全转录组多核糖体分析表明，m6A对翻译效率根据转录本中m6A的丰度和位置具有不同的影响。起始密码子附近或3'-UTR中强度较低（m6A富集值低）的m6A修饰往往会增强mRNA翻译，而3'-UTR中过度沉积（m6A富集值过高）的m6A则会降低翻译效率。 同样，在草莓果实和苹果叶中，m6A甲基化也被证明可以促进 mRNA 翻译。 最近，水稻m6A OsMTA2 被发现与真核翻译起始因子OsEIF3h相互作用，这意味着 m6A修饰可能通过m6A之间的相互作用来调节 mRNA 翻译机制和翻译因子，采用与哺乳动物类似的分子机制。
m6A对作物发育过程的调节机制
1.粮食作物发育的调控
OsFIP 是哺乳动物WTAP 的同源物，被确定为水稻m6A甲基转移酶复合物的组成部分之一。 功能研究表明，OsFIP介导m6A附着在在编码NTPase 和苏氨酸蛋白酶的孢子发生相关基因的转录本上，导致这些转录物加速降解以控制小孢子发生（图 2a）。 水稻m6A甲基转移酶样结构域蛋白对正常花药发育不可或缺的作用，其缺乏会增强OsEDM2L受损的绒毡层程序性细胞死亡(PCD) 并导致花粉发育缺陷。OsEDM2L不仅可以与转录因子bHLH142和TDR相互作用，激活绒毡层PCD正调节因子永恒绒毡层1（EAT1）的表达，还可以促进合适的绒毡层PCD表达。 通过m6A修饰对 OsEAT1 转录本进行选择性剪接和多聚腺苷酸化，从而调节绒毡层 PCD 和花药发育(图 2b)。 此外，尽管分子机制尚不清楚，但OsMTA2 与 OseIF3h 的相互作用表明OsMTA2 可能参与调节 OseIF3h 介导的水稻幼苗生长和花粉发育。在玉米中，m6A介导的转录后调控有助于杂交幼苗的杂种优势以及添加生长素类似物2,4-D 培养的愈伤组织的诱导。 前者预计与m6A修饰转录本翻译效率的提高相关 ，而后者可能是由参与愈伤组织诱导的几个关键基因的mRNA 丰度升高引起的。2.园艺作物发育调控
果实膨大是果实生长发育的重要过程。 研究表明，在番茄果实膨大过程中，整体m6A水平会增加的同时，几个与膨大相关的重要基因的m6A富集度和转录水平也会升高。 通过3-deazaneplanocin A（m6A writer 抑制剂）或甲氯芬那酸（m6A eraser 抑制剂）进行外源处理可抑制果实的膨大，证实m6A甲基化参与调节番茄果实的生长和发育，不过还需要阐明潜在的分子机制。 最近报道称m6A甲基化可以调节果实成熟这一品质形成的重要生物过程。 在转色期果实番茄中，m6A去甲基化酶SlALKBH2 靶向关键的促熟基因 SlDML2，并通过提高mRNA 稳定性正向调节其表达，从而加速番茄果实成熟。 有趣的是，SlDML2可以反过来作用于 SlALKBH2，通过对DNA 甲基化的抑制作用来激活其转录。 这些结果表明，SlALKBH2和 SlDML2 在番茄果实成熟过程中协同发挥作用（图 2c）。 在非跃变型果实草莓中，m6A甲基转移酶 FvMTA包括 FvNCED5、FvAREB1和FvABAR， 可以积极调节果实成熟，其介导的m6A修饰可提高 ABA 途径中关键基因的mRNA 稳定性或翻译效率，这些都是用于草莓果实成熟必需的基因（图2d）。 草莓基因组四个SlDML2 同源物中的两个在果实成熟开始时包含差异峰。 然而，这些基因在成熟开始时均未表现出mRNA 丰度的显著增加。 此外，在RNA引导的DNA甲基化(RdDM)途径控制着草莓果实成熟过程中DNA甲基化的重编辑，该途径中的DNA甲基转移酶基因的转录本中没有观察到差异性的m6A修饰， 这表明DNA 甲基化对于 FvMTA 介导的草莓果实成熟是可有可无的。 因此，通过m6A修饰调节果实成熟涉及复杂的分子机制，并且不同水果之间可能存在差异。![]()
图2 m6A修饰在作物生长发育或抗逆性方面的作用。（a）水稻m6A甲基转移酶亚基OsFIP对小孢子发育的调控。（b）水稻含m6A甲基转移酶样结构域蛋白OsEDM2L对花药发育的调控（c）番茄m6A去甲基化酶SlALKBH2对果实成熟的调控。（d）草莓m6A甲基转移酶FvMTA对果实成熟的调控。（e）苹果m6A阅读蛋白MhYTP2对叶片抗白粉病的调控。（f）人类m6A去甲基化酶FTO对水稻根系生长和分蘖形成的调控。
m6A对作物胁迫反应的调控机制
1.作物生物胁迫的调节
烟草花叶病毒 感染导致潜在去甲基化酶基因表达增加，同时潜在甲基转移酶表达减少，这表明m6A参与调节烟草中病毒诱导的胁迫反应。 在水稻中，水稻条纹病毒或水稻黑条矮缩病毒（RBSDV）的感染导致整体m6A甲基化水平急剧增加，并伴随着编码m6A机制的基因转录的改变，这意味着m6A修饰可能参与防御 针对病毒感染的反应。 此外，当SBPH的m6A甲基转移酶基因LsMETTL3和LsMETTL14被沉默时，SBPH中肠细胞中RBSDV的滴度显著增加，表明总体m6A水平之间存在负相关和病毒复制。 在西瓜中，黄瓜绿斑驳花叶病毒（CGMMV）感染导致总体m6A水平下降，m6A去甲基化酶基因 ClALKBH4B 表达增加。一些与植物免疫相关的m6A修饰转录物表现出响应 CGMMV感染而改变的m6A富集和转录物水平。ClALKBH4B可能通过m6A甲基化调节防御基因的表达，从而参与调节西瓜对抗CGMMV感染。 含有Malus YTH 结构域的 RNA 结合蛋白 2
(MhYTP2) 被证明可以正向调节苹果对白粉病 (PM) 的抗性。MhYTP2可以降低PM抗性负调节因子MdMLO19的mRNA稳定性，并提高抗氧化基因的翻译效率，从而抑制P.
leucotricha的感染（图2e）。毒力测试实验的结果表明稻瘟病病原体米瘟病菌的 m6A 机制参与了水稻的毒力 ，预测m6A甲基化也会调节水稻中的真菌感染。此外，在小麦中，m6A reader蛋白TaYTH 的基因在响应包括水、干旱等非生物胁迫时表现出明显的表达变化。依据小麦的m6A甲基化谱可知，在小麦遭受黄花叶病毒侵染的情况下，数千个转录本（涵盖植物防御反应以及植物 - 病原体相互作用途径中的转录本）的m6A丰度出现了变化，这意味着m6A标记也参与了对小麦抵抗植物病原体的介导过程。这些发现强调，病毒或真菌相关生物胁迫中m6A的调节似乎在各种作物物种中很常见，不过其潜在机制还需进一步研究。2.作物非生物胁迫的调节
除了在生物胁迫中的作用外，m6A还调节作物的非生物胁迫反应。在水稻中，镉处理会诱导根中数千个转录本发生差异性m6A修饰，这表明m6A可能与镉胁迫引起的根部发育异常有关。 在小麦中，m6A reader蛋白TaYTH 的基因在响应包括水、干旱等非生物胁迫时表现出明显的表达变化。盐胁迫引起甜高粱m6A甲基化组的剧烈改变，导致与耐盐相关的基因m6A修饰和mRNA稳定性增加，从而正向调节甜高粱对盐胁迫的耐受性。此外，热胁迫下的小白菜幼苗和冷胁迫下的番茄花药中m6A甲基化谱的显著变化及其与 mRNA 丰度的相关性已被破译。这些结果表明，m6A修饰还参与控制作物对温度和湿度诱导的胁迫的反应。近年来，对于m6A标记功能多样性的理解取得了进展。一、它对植物生理上的发育和抗逆性起到重要作用，有助于植物适应环境，提高作物的产量和品质。然而在此过程中也面临许多挑战，比如构建具有单碱基分辨率的转录组 m6A 修饰图谱。二、目前市场上生物信息学工具对多种作物不一定适用，所以急需开发新的有效编辑工具。三、需要明确m6A 在作物中的组成和功能。
期刊：Plant Biotechnology Journal
投稿日期：2021.12.16
接收日期：2022.2.7
发表日期：2022.02.18
评述：夏心语
校对：吴姿锐
编辑：姚凤鸽
