植物表观遗传修饰与病原菌胁迫应答研究进展

植物表观遗传修饰与病原菌胁迫应答研究进展
潘丽娜;王振英
【摘要】The gene expression in eukaryotic is regulated by chromatin structure. Epigenetic markers (like DNA methylation and histone modification) play an important role in the defense responses of plant. For example,plant DNA methylation patterns can be altered by pathogen infection,and pathogen-induced locus-specific demethylation can influence the expression of defense genes. Histone deacetylases (HDACs) promote defense responses against pathogens depended on jasmonic acid (JA) pathway. Furthermore,the chromatin remodeling complexes Swrl may be targeted to gene promoters by the recognition of histone acetyla-tion patterns and DNA motifs,which inhibited the expression of salicylic acid (SA)-sensitive genes. In this review,we focused on the underlying mechanisms of plant-pathogen interaction and the latest advances of epigenetics,such as DNA methylation,histone acetylation,histone methylation and chromatin remodeling.%真核生物基因表达受到染色质结构的调控,组蛋白与DNA的共价修饰构成表观遗传标签,并在植物胁迫应答如防御病原
菌侵染过程中起重要作用.病原菌侵染可引起基因组整体DNA甲基化模式变化及
胁迫应答基因的位点特异性去甲基化,导致植物抗性基因表达上调或下调,并进一步
调控植物对病原菌的胁迫应答;组蛋白去乙酰化酶HDAC通过茉莉酸途径增强植物对病原菌的胁迫应答;此外,染色质重塑复合物Swr1复合体通过识别DNA基元和
组蛋白乙酰化修饰状态靶向基因启动子,负调控SA敏感基因.该文从DNA甲基化、
组蛋白乙酰化、甲基化修饰,染色质重塑等方面着重阐述植物与病原菌互作过程中
发生的主要事件的分子基础及其研究进展.
【期刊名称】《西北植物学报》
【年(卷),期】2013(033)001
【总页数】5页(P210-214)
【关键词】表观遗传修饰;病原菌;胁迫应答
【作者】潘丽娜;王振英
【作者单位】天津师范大学生命科学学院,天津300387
【正文语种】中文
【中图分类】Q789
植物生长过程中不断受到来自环境的胁迫刺激影响，既包括非生物刺激如温度变化、干旱、高盐等，也包括生物胁迫如细菌、真菌和病毒侵染。

这些胁迫可以诱导植物发生相应的生理生化改变，如多种信号转导途径的激活，功能性调控蛋白诱导表达等，以适应和抵抗不良环境对其生长发育的影响。

近年来，表观遗传修饰在植物胁迫应答中的作用越来越受到人们的关注。

不同于引起永久序列变化的基因水平改变，表观遗传修饰是可逆的DNA甲基化或染色质结构的改变，相对DNA序列的改变，表观遗传机制对基因表达的调控更加灵活。

病原菌胁迫是最为复杂的有害胁迫之一，在长期与微生物病原菌互作过程中，植物发展出一系列精密的机制促进抵御病菌侵害。

其中，同源重组改变基因组稳定性进而改变相应蛋白表达与动态染色质结构变化即表观遗传机制调控基因转录是植物耐受或拮抗病菌侵染的主要方式。

本综述主要讨论病原菌胁迫引起的植物表观遗传修饰的改变，如DNA甲基化变化、组蛋白
修饰等对植物疾病防御的作用。

DNA甲基化是调控基因表达的最重要的表观遗传修饰之一，通常与基因沉默有关［1］。

植物基因组DNA甲基化主要发生在CG，CHG或CHH位点（H代表A、C或T），而脊椎动物的胞嘧啶甲基化通常局限在CG位点［2－4］。

根据来源及其在DNA甲基化过程中的活性，可将植物DNA甲基化酶分为三类：哺乳动物DNMT1同源物MET1（DNA methyltransferase 1），主要参与维持DNA甲基化［5－7］；DNMT3同源物DRM1／2（domains rearranged methyltransferase 1／2），调控RNA指导的从头甲基化［8－9］；植物特异性的DNA甲基化酶CMT1／3（chromomethylase 1／3），其中CMT1维持不对称CHH位点甲基化，而CMT3维持对称CHG甲基化［5，10－11］。

高分辨率拟南芥DNA甲基化图谱揭示，其甲基化区域多位于着丝粒、转座元件和重复序列中，约三分之一的基因转录区有CG甲基化发生，而这些基因中只有部分启动子是甲基化的［12－14］。

通常，高甲基化与基因表达沉默相关，而活跃表达的基因
启动子是低甲基化的［14］。

此外，植物亲代的甲基化状态可通过增殖传递给子代，即DNA甲基化形成的表观遗传标志可持久影响基因组活性［15］。

据报道，丁香假单胞菌（P.syringae）侵染拟南芥可引起大范围的低甲基化和染色质去凝集，这些低甲基化区域多位于着丝粒附近、反转座子和mtDNA［16］。

此外，Wada等研究也发现，烟草花叶病毒侵染可造成其病原菌胁迫应答基因NtAlix1位点甲基化水平降低，同时该基因表达水平提高［17］；化学诱导水稻R 基因Xa21G去甲基化，可改变该基因的沉默状态，形成可遗传的对水稻黄单胞菌（Xanthomonas oryzae pv.oryzae）的抗性［18］。

说明植物基因组DNA的甲基化模式可被病原菌侵染改变，病原菌诱导的宿主基因组低甲基化可促进防御基因表达。

另外，在结构水平，低甲基化会影响NBS－LRR基因的稳定性，通常这些
基因成簇存在于转座元件（transposon elements，TE）和重复序列中，多发生
DNA高甲基化及组蛋白H3K9甲基化，形成抑制型染色质，与smRNA共同阻遏TE的表达［14，19］。

一些生物或非生物胁迫诱导的TE激活可引起基因组整体DNA甲基化水平降低，进而影响NBS－LRR基因的完整性，即NBS－LRR基因
可被TE插入破坏而重组或重新功能定位［20－22］。

另有文献报道，烟草花叶病毒侵染造成N－like位点DNA低甲基化，并且这种甲基化的改变促进这些位点的基因重组［23］，即病原菌侵染造成的DNA甲基化变化可能促进体细胞基因重组。

综上所述，病原菌侵染可引起基因组整体DNA甲基化模式变化和位点特异性的低甲基化，影响胁迫应答基因表达，也可通过低甲基化激活转座元件（TE）进而影
响NBSLRR基因活性或其完整性，导致促进或抑制植物R基因表达，调控植物对
病原菌的胁迫应答。

除DNA甲基化外，组蛋白N端尾部的翻译后修饰如乙酰化、甲基化、磷酸化、
泛素化、ADP－核糖基化等也是表观遗传学的一个活跃的研究领域［24］。

多种
组蛋白翻译后修饰类型及其组合被称为“组蛋白密码”，它在染色质结构维持和调控基因转录活性中起关键作用［25］。

所有的组蛋白修饰都是可逆的，使其在植
物应答环境变化时对基因表达的调控更加灵活［26］。

本综述主要论述组蛋白去
乙酰化酶与茉莉酸依赖的防御和组蛋白H3K4甲基化与水杨酸依赖的病原菌胁迫
应答。

组蛋白乙酰化状态由组蛋白乙酰转移酶（HAT）和去乙酰化酶（HDAC）动态调节。

通常，组蛋白高乙酰化与基因转录激活相关，很多HAT也被称为转录辅激活子，而组蛋白去乙酰化与转录抑制相关［27］。

植物中，HAT与HDAC参与调控发育和胁迫应答基因表达，且HDAC在病原菌防御中起关键作用。

据报道，引起谷类
作物叶片疾病的玉米圆斑病菌（Cochiobolus carbonum）的真菌产物HC毒素
可抑制组蛋白去乙酰化酶HDAC，植物还原性钾依赖蛋白3／组蛋白去乙酰化酶1（RPD3／HDA1）和HD2亚族的HDAC是该毒素的抑制靶点［16］。

玉米编码
羧基还原酶的基因产物HM1／2通过使HC毒素失活而对该病原菌产生抗性［28］，应用HC毒素或真菌感染造成敏感玉米植株的组蛋白高乙酰化而对抗性
植株却无此作用［16］，说明HDAC激活引起的组蛋白乙酰化水平降低与植物病原菌防御相关。

此外，有证据表明，RPD3／HDA1家族成员HDAC19参与激活
茉莉酸途径相关的病原菌防御应答。

拟南芥AtHDAC19基因表达可被链格孢菌（Alternaria brassicicola）和外源茉莉酸诱导，过表达该基因通过激活乙烯应答
因子1（ethylene responsive factor 1，ERF1）提高植株的抗性，而沉默该基因可促进植株对真菌侵染的敏感性［29］。

拟南芥中另一种可影响基因转录沉默、DNA甲基化与rRNA基因活性的RPD3／HDA1家族成员HDAC6也可被外源茉莉酸诱导，参与激活茉莉酸依赖的病原菌防御应答［29－30］。

可见，HDAC依
赖茉莉酸途径增强植物对病原菌的胁迫应答，而这些酶调控基因表达的精确机制还有待于进一步研究。

组蛋白甲基化可分为两种类型，即赖氨酸甲基化和精氨酸甲基化，植物赖氨酸甲基化由组蛋白赖氨酸甲基化酶（HKMT）的SET domain催化［24］。

HKMT对基
因转录的调控依赖甲基化的位点及其甲基化程度（单、二或三甲基化）［31］，
如H3K27三甲基化是一个主要的常染色质抑制修饰，与超过4 000个基因的抑制有关［32］，而组蛋白H3K4的甲基化通常与基因转录激活相关［33］。

据报道，拟南芥中WRKY70基因的组蛋白H3K4甲基化可刺激水杨酸依赖的防御应答［34］。

丁香假单胞菌侵染降低WRKY70基因的H3K27me2水平，同时提高
H3K4me2和H3K4me3水平，进而激活WRKY70基因转录。

在催化组蛋白
H3K4甲基化的SET－domain蛋白ATX1突变的植株中，丁香假单胞菌侵染仅造成WRKY70的弱激活，并且在这种植株中缺少H3K4me3，说明ATX1诱导的WRKY70基因转录激活依赖于H3K4三甲基化［34－35］。

此外，ATX1可影响TIR－NBS－LRR基因和一些参与防御的转录因子如WRKYs、TGA－bZIP和
ERFs的表达［36］，说明H3K4甲基化调控着病原菌的胁迫应答。

ATP依赖的染色质重塑复合体利用ATP水解供能来改变染色质结构，在真核生物基因表达调控中起重要作用［37］。

ATP依赖的染色质重塑复合物可分成SWI／SNF、ISWI和CHD三类［38］。

其中，SWI／SNF复合体是最早发现的ATP依赖的染色质重塑复合物，它可通过破坏DNA与组蛋白的结合改变染色质结构，在DNA修复、重组、基因表达和复制过程中起关键作用［39－40］。

拟南芥Swr1（Swi／Snf2－related 1）复合体可调控水杨酸依赖的病原菌防御机制，该复合体由PIE1、SEF（early flowering）和ARP 6（Actin－Related Protein 6）组成［41－42］。

Swr1复合体可介导组蛋白H2A的变体H2A.Z到水杨酸信号途径的抑制蛋白的基因启动子上，H2A.Z与组蛋白H3K4甲基化促使该基因启动子处形
成疏松染色质结构，以利于激活型（无病原菌侵染时）或抑制型（病原菌侵染时）转录因子结合，活化或抑制此基因表达，进而抑制或激活水杨酸信号通路［16］。

PIE1可与H2A.Z结合，在PIE1突变植株pie1－5中，H2A.Z在多位点的定位缺失会引起染色质凝缩、DNA甲基化和基因表达沉默，导致该抑制蛋白永久性沉默；而水杨酸信号通路组成型激活，也造成pie1－5植株对丁香假单胞菌侵染的抗性
增强［16，41－42］，说明Swr1复合体可通过介导H2A.Z在特定基因启动子处定位改变染色质结构，激活或抑制相关基因表达，调控水杨酸依赖的病原菌防御。

此外，仅存在于植物中的核蛋白SNI1可通过一个保守机制如染色质重塑抑制基因转录［43］。

未受侵染的野生型植株中，SNI1通过维持基因启动子处组蛋白修饰状态形成一个抑制性染色质结构，抑制水杨酸信号途径的激活蛋白表达；病原菌侵染引起SNI1释放，激活该蛋白表达，进而活化水杨酸依赖的病菌防御［16］。

小RNA（small RNA）是非编码的起调控作用的RNA分子，动植物内源小RNA
通过调控mRNA降解，抑制转录、翻译或影响染色质修饰调节多种生理生化过程。

基于生物合成途径不同，植物内源小RNA可分为两类：miRNA（microRNA）和
siRNA（short interfering RNA）。

其中，miRNA是20～22nt的单链RNA，
与靶mRNA高度互补，通过封闭mRNA导致转录后基因沉默。

siRNA是由双链RNA前体（dsRNA）加工而来，主要通过DNA甲基化和／或组蛋白修饰诱导基
因转录沉默，或通过mRNA降解和翻译抑制介导转录后基因沉默。

拟南芥miR393是植物中最早发现的miRNA分子，通过负调控auxin信号通路
在植物抗菌病原物相关分子模式触发的免疫（PAMP－triggered immunity，PTI）中起重要作用［44］。

miR393可被细菌多肽flg22刺激诱导表达，并使其靶分子auxin的受体TIR1（transport inhibitor response 1）降解，进而下调auxin信
号通路，抑制细菌增殖。

tirl－1突变植株对番茄细菌性叶斑病［Pseudomonas syringae pv.tomato（Pst）］DC3000敏感性增强，说明miR393在flg22诱导的基础防御或靶向auxin受体mRNA的PTI中起作用［45］。

此外，Fahlgren
等［46］应用小RNA表达谱分析Pst DC3000 hrcC侵染1～3h的拟南芥叶片发现了3个诱导后高表达的miRNA（miR393、miR167和miR160），它们都通
过靶向auxin受体基因或auxin应答因子负调控auxin信号，进而抑制细菌增殖。

说明病原菌诱导的miRNA可能通过沉默宿主抗性通路的负调控因子在植物免疫中起重要作用。

调控植物免疫的一个典型siRNA是nat－siRNAATGB2，它可被avrRpt2效应子的Pst DC3000特异性诱导，进而抑制其靶蛋白PPRL（ETI的负调控子），识别
病原菌衍生效应子并激活效应子触发的免疫（effector－triggered immunity，ETI），起到病原菌防御作用［45，47］。

说明植物siRNA可被细菌效应子诱导，并通过下调特定抗性通路中的负调控因子激活ETI。

此外，siRNA还可通过介导DNA甲基化和组蛋白修饰诱导基因转录沉默［45］。

植物在与病原菌长期互作过程中发展出一系列适应和防御机制，相对于诱导特定基因组区域突变和重组，表观遗传修饰则更加灵活。

植物胁迫应答过程中的表观遗传
调控很复杂，并且植物暴露在胁迫环境中发生的表观遗传修饰引起的基因表达改变可持续几个世代。

目前，表观遗传修饰在病原菌胁迫应答中的功能才刚刚发现，如何利用该机制调节和提高植物的抗病性尚有诸多问题亟待解决和进一步研究，如可否通过组蛋白去乙酰化酶抑制剂或甲基化酶抑制剂调节植物染色质修饰状态，促进抗性基因表达？能否找到调控组蛋白或DNA修饰状态的关键酶，进而影响植物胁迫应答基因表达，提高植物抗病性等。

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