紫外線B可抑制啟動子35S的DNA甲基化。蔣建軍供圖

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UVR8可抑制開花相關(guān)基因FWA的從頭DNA甲基化。蔣建軍供圖

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紫外線B和UVR8調(diào)節(jié)植物DNA甲基化的工作模式。蔣建軍供圖

植物依靠光合作用而生長。然而，過于強(qiáng)烈的光線對植物生長有沒有不良影響？不能移動的植物有沒有辦法“躲避”強(qiáng)光照？

1月25日，《自然—植物》在線發(fā)表了江蘇省農(nóng)科院植保所研究員劉鳳權(quán)和美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校教授鐘雪花課題組合作成果。他們揭示了擬南芥中DNA甲基化受紫外線調(diào)節(jié)的分子機(jī)制。

而DNA甲基化是備受關(guān)注的一種表觀遺傳修飾，其對基因的表達(dá)調(diào)控等至關(guān)重要。防曬，對植物來說也很重要。

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至關(guān)重要的DNA甲基化

真核生物的基因表達(dá)受多種機(jī)制、多層面的綜合調(diào)控。

基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)水平與功能發(fā)生改變，并可遺傳的現(xiàn)象，被科學(xué)家稱為表觀遺傳現(xiàn)象。

論文共同通訊作者劉鳳權(quán)告訴《中國科學(xué)報》，表觀遺傳是調(diào)控基因表達(dá)的重要途徑之一。表觀遺傳學(xué)的調(diào)節(jié)機(jī)制主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA作用等多種形式。其中，DNA甲基化是目前研究得比較清楚的表觀遺傳修飾方式。

論文共同通訊作者鐘雪花介紹，植物DNA甲基化發(fā)生在所有的胞嘧啶（C）序列上。在擬南芥中，全基因組范圍的DNA甲基化特征主要是異染色質(zhì)中的高度甲基化。

一個特定的DNA甲基化狀態(tài)是由甲基化建立、維持以及主動去除的動態(tài)調(diào)控所實(shí)現(xiàn)的，這些過程受到多個酶的催化，并且受到不同通路的調(diào)控。

論文第一作者、江蘇農(nóng)科院博士后蔣建軍告訴《中國科學(xué)報》，其實(shí)，DNA甲基化是非常保守的表觀修飾，對于基因表達(dá)調(diào)控、沉默轉(zhuǎn)座子及維持基因組穩(wěn)定性至關(guān)重要。

它在植物發(fā)育中所扮演重要角色，并參與植物對生物及非生物脅迫的響應(yīng)。因此，異常的DNA甲基化會導(dǎo)致植物的發(fā)育缺陷。

“盡管DNA甲基化相對穩(wěn)定，但也受到生物因素和非生物環(huán)境因素的影響和調(diào)節(jié)。”劉鳳權(quán)說。

研究表明，生物脅迫和非生物脅迫都會改變植物中DNA甲基化模式。其中，生物脅迫如丁香假單胞菌侵染，非生物脅迫如高溫、缺磷、重金屬、除草劑等因素。但目前人們對環(huán)境因素調(diào)節(jié)DNA甲基化的機(jī)制還知之甚少。

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紫外線可抑制DNA甲基化

蔣建軍介紹，在植物中，DNA甲基化的建立依賴于RNA介導(dǎo)的途徑，由從頭DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（DRM2）實(shí)施，而不同類型的DNA甲基化分別由不同的蛋白進(jìn)行維持。

該研究以模式植物擬南芥為對象，鑒定到紫外線B（UVB）的受體UVR8是潛在的與從頭DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶相互作用的蛋白，因此推測紫外線B可能與DNA甲基化有關(guān)。

紫外線B 波長為280~315 nm，是太陽光中直射到地球表面波長最短的光譜波段，對于生物大分子有損傷作用，人類皮膚的曬傷即主要由其引起。

鐘雪花說，紫外線B對植物的發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)具有非常重要的影響。植物因不能移動而躲避紫外線，進(jìn)而發(fā)展出了一系列自我保護(hù)機(jī)制。

UVR8是紫外線B的光受體，它介導(dǎo)了植物對紫外線B的感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)。過去的研究表明，UVR8能夠與下游多個蛋白和轉(zhuǎn)錄因子相互作用而調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。

為進(jìn)一步明確紫外線與DNA甲基化之間的關(guān)系，他們利用多個DNA甲基化分析系統(tǒng)檢測到，紫外線B處理確實(shí)能夠抑制DNA甲基化。

他們發(fā)現(xiàn)，在全基因組水平上進(jìn)行紫外線B處理，能夠誘導(dǎo)大規(guī)模的DNA低甲基化。超表達(dá)UVR8的轉(zhuǎn)基因株系對紫外線B更加敏感，而缺失UVR8的突變體對紫外線B不敏感?！斑@表明紫外線B誘導(dǎo)的DNA甲基化是由UVR8介導(dǎo)的?！笔Y建軍說。

而在紫外線B誘導(dǎo)的低甲基化區(qū)域中，大部分與drm2突變體（缺失從頭DNA甲基化酶）中的低甲基化區(qū)域重合。由于DNA甲基化的一個重要功能是沉默轉(zhuǎn)座子，作者通過轉(zhuǎn)錄組測序證實(shí)，紫外線B確實(shí)能夠上調(diào)一些轉(zhuǎn)座子的表達(dá)。

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新品種選育也需考慮耐強(qiáng)光照

劉鳳權(quán)介紹，他們通過一系列生化和分子生物學(xué)試驗(yàn)證明，紫外線B通過與從頭DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶直接相互作用，從而影響DNA甲基化過程。

紫外線B處理后，其受體UVR8在細(xì)胞核中累積，其與從頭DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的相互作用因而增強(qiáng)。進(jìn)一步試驗(yàn)證明UVB和UVR8能夠?qū)е聫念^DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶的活性降低、與染色質(zhì)和DNA的結(jié)合受到抑制。

該研究揭示了紫外線通過其光受體UVR8與DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶互作，進(jìn)而抑制植物中DNA甲基化的分子機(jī)制，豐富了人們對環(huán)境因素調(diào)節(jié)DNA甲基化機(jī)制的理解。

“從頭DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶和光受體UVR8在高等植物中廣泛存在。因此，我們推測，在重要農(nóng)作物中也存在類似機(jī)制，這項(xiàng)工作為在強(qiáng)光照、高海拔等紫外線輻射強(qiáng)烈地區(qū)選育適應(yīng)性強(qiáng)的農(nóng)作物新品種提供了理論指導(dǎo)?！眲ⅧP權(quán)說。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-020-00843-4



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