DNA甲基化的應(yīng)用：揭示番茄黃化曲葉病毒感染過(guò)程中的表觀遺傳學(xué)變化

雙生病毒（Geminiviruses）是一種DNA植物病毒，可引起影響全球作物的高度破壞性疾病。在感染過(guò)程中，雙生病毒調(diào)控細(xì)胞過(guò)程，抑制植物防御，并導(dǎo)致感染細(xì)胞的大量重編程，導(dǎo)致整個(gè)植物穩(wěn)態(tài)重大變化。測(cè)序技術(shù)進(jìn)步允許大規(guī)模同時(shí)分析病毒感染的多個(gè)方面，為植物-病毒互作的分子機(jī)制產(chǎn)生新的見(jiàn)解。然而尚未對(duì)雙生病毒感染期間宿主轉(zhuǎn)錄組、sRNA譜和甲基化組的變化進(jìn)行綜合研究。

2023年12月18日，西班牙亞熱帶和地中海園藝研究所Araceli G. Castillo團(tuán)隊(duì)在《BMC Plant Biology》雜志發(fā)表題為“Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato”的研究論文，該研究使用短讀長(zhǎng)測(cè)序，通過(guò)全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（WGBS）分析了TYLCV感染的番茄(Solanum lycopersicum)植株在四個(gè)時(shí)間點(diǎn)（TYLCV感染接種后第2、7、14和21天）（days post-inoculation, dpi）的mRNA和sRNA轉(zhuǎn)錄組變化，以及14dpi的番茄甲基化組變化。這些數(shù)據(jù)的分析和整合研究了TYLCV感染期間宿主基因表達(dá)的變化及其對(duì)sRNA調(diào)控（miRNA和階段性次級(jí)小干擾RNA（phasiRNA））和DNA甲基化的依賴(lài)性。本研究首次對(duì)雙生病毒感染后番茄mRNA、sRNA轉(zhuǎn)錄組和甲基化組變化進(jìn)行了全面分析。
 
標(biāo)題：Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato（番茄黃化曲葉病毒感染過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳學(xué)變化）
時(shí)間：2023-12-18
期刊：BMC Plant Biology
影響因子：5.3
技術(shù)平臺(tái)：WGBS、RNA-seq、sRNA-seq等
 
研究摘要：
本研究使用時(shí)間節(jié)點(diǎn)方法，旨在分析番茄對(duì)雙生病毒番茄黃化曲葉病毒（tomato yellow leaf curl virus，TYLCV）感染的基因調(diào)控。研究結(jié)果揭示番茄在TYLCV感染后經(jīng)歷了大量的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后變化，并鑒定出主要變化的調(diào)控通路。盡管誘導(dǎo)了主要的植物防御相關(guān)過(guò)程、基因沉默和免疫反應(yīng)，但無(wú)法阻止感染建立。將細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)免疫受體鑒定為失調(diào)的microRNA（miRNA）靶標(biāo)，并為也產(chǎn)生階段性次級(jí)小干擾RNA（phasiRNA）受體建立了網(wǎng)絡(luò)。此外感染后14天，在癥狀普遍出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，病毒DNA量達(dá)到最大水平，但番茄甲基化組沒(méi)有顯著的全基因組變化，但能夠鑒定出差異甲基化區(qū)域，這些區(qū)域可能參與一些差異表達(dá)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

本研究對(duì)TYLCV感染過(guò)程中番茄轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和表觀遺傳水平變化進(jìn)行了全面可靠的研究。所產(chǎn)生的基因組信息對(duì)于了解番茄TYLCV感染引起的遺傳、分子和生理變化具有重要意義。
 
研究結(jié)果：
（1）番茄TYLCV感染過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄變化

1. 在2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi的naïve(藍(lán)色)、mock(綠色)和TYLCV感染樣品（紅色）中番茄基因表達(dá)譜在分層聚類(lèi)的熱圖中顯示。右側(cè)的藍(lán)色條表示歸一化reads數(shù)。
2. 堆疊條形圖顯示TYLCV感染與mock樣品在2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi的上調(diào)DEG（紅色）和下調(diào)DEG（藍(lán)色）數(shù)量。
3. 維恩圖顯示2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi共有和特異性上調(diào)DEG和下調(diào)DEG。

B和C，只顯示FDR矯正p值≤0.05和≥1.5倍誘導(dǎo)或≤0.75倍抑制的的DEG
 
（2）番茄DEGs對(duì)TYLCV感染的功能富集
  圖2：番茄對(duì)TYLCV感染響應(yīng)的生物過(guò)程轉(zhuǎn)錄失調(diào)。使用基因組富集分析（GSEA）計(jì)算方法和MapMan本體論作為基因組來(lái)源，用于鑒定在7dpi、14dpi和21 dpi顯著富集上調(diào)（紅色）或下調(diào)基因（藍(lán)色）的生物過(guò)程。沒(méi)有顏色表示沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著富集（FDR校正p值 ≤ 0.05）
   
（3）TYLCV感染過(guò)程中轉(zhuǎn)錄變化動(dòng)態(tài) 圖3：番茄TYLCV感染期間轉(zhuǎn)錄調(diào)控動(dòng)態(tài)。SplineCluster算法對(duì)番茄DEG進(jìn)行聚類(lèi)響應(yīng)TYLCV感染（2,7,14和21 dpi）。
 
（4）TYLCV感染期間的番茄小RNA譜

1. 在2、7、14和21 dpi的naïve、mock和TYLCV感染的番茄樣品中，大小類(lèi)別20-25 nt sRNA reads比對(duì)到番茄基因組（18-26 nt）的總sRNA reads百分比。每條對(duì)應(yīng)于一個(gè)生物學(xué)重復(fù)。
2. 在2、7、14和21 dpi的naïve(藍(lán)色)、mock(綠色)和TYLCV感染（紅色）樣品中番茄sRNA的表達(dá)用分層聚類(lèi)熱圖顯示。右側(cè)的藍(lán)色條表示歸一化CPM

（5）TYLCV感染過(guò)程中番茄microRNA表達(dá)譜的變化 圖5：番茄TYLCV感染過(guò)程中miRNA表達(dá)變化。與14和21 dpi的mock感染相比，TYLCV感染樣品中的miRNA表達(dá)變化（| log2FC |，log2FC的絕對(duì)值）。上調(diào)miRNA以紅色顯示，下調(diào)miRNA以藍(lán)色顯示
 
（6）TYLCV感染過(guò)程中miRNA靶基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 A、 基于表達(dá)水平對(duì)14和21 dpi推測(cè)miRNA靶基因分類(lèi)。UP：上調(diào)，DW：下調(diào)，nc（no change）：靶基因無(wú)差異表達(dá)。
B、 DEmiRNA（x軸）及其靶基因（y軸）在21 dpi時(shí)的表達(dá)水平（log2FC為T(mén)YLCV/mock比）
 
（7）TYLCV感染過(guò)程中phasiRNA及其預(yù)測(cè)靶基因和PHAS位點(diǎn)的比較表達(dá) 圖7：在TYLCV感染的番茄植株中，DEphasiRNA及其預(yù)測(cè)的靶基因表達(dá)水平。
A、 堆疊條形圖顯示了TYLCV感染與mock樣品在14dpi和21 dpi的DEphasiRNA數(shù)量、上調(diào)（紅色）和下調(diào)（藍(lán)色）的phasiRNA。
B、 基于miRNA和靶基因表達(dá)水平，在14和21 dpi時(shí)預(yù)測(cè)phasiRNA-target對(duì)數(shù)。
C、 DEphasiRNAs（x軸）及其靶基因（y軸）在21 dpi時(shí)的表達(dá)水平（log2FC為T(mén)YLCV/mock比）
  圖8：番茄miRNA PHAS位點(diǎn)phasiRNA網(wǎng)絡(luò)對(duì)TYLCV感染21 dpi的影響。miRNA（21和22 nt，菱形）的網(wǎng)絡(luò)表示，其在21 dpi時(shí)從其靶PHAS位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄本（矩形）觸發(fā)dephasirna（正方形）形成。每個(gè)幾何形狀都被一條彩色線包圍，表示它們的差異表達(dá)模式：紅色表示誘導(dǎo)，藍(lán)色表示抑制，灰色表示無(wú)差異表達(dá)。
（8）番茄基因組DNA甲基化與TYLCV感染的關(guān)系 A、 TYLCV感染和mock樣品在不同環(huán)境（CG、CHG和CHH）染色體上5-甲基胞嘧啶的分布圖。染色體名稱(chēng)顯示在外邊緣。
B、 mock和感染植株的兩個(gè)生物重復(fù)（R1和R2）的基因甲基化率和TEs/重復(fù)序列。轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）和多聚腺苷酸化位點(diǎn)（PAS）。
C、 每個(gè)甲基化環(huán)境（CG、CHG和CHH）上DMR（TYLCV/mock）的總數(shù)和百分比。
D、 基因和TEs/重復(fù)序列中低甲基化和高甲基化區(qū)域的數(shù)量。
 
參考文獻(xiàn)：Romero-Rodríguez B, Petek M, Jiao C, Križnik M, Zagorščak M, Fei Z, Bejarano ER, Gruden K, Castillo AG. Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato. BMC Plant Biol. 2023 Dec 18;23(1):651. pii: 10.1186/s12870-023-04534-y. doi: 10.1186/s12870-023-04534-y. PubMed PMID: 38110861.