文献
2023
Frontiers in plant science
Genome-wide alternative polyadenylation dynamics underlying plant growth retardant-induced dwarfing of pomegranate
课题背景
（1）石榴(Punica granatum L.)是一种在全球广泛种植的水果。它富含维生素，在水果中具有抗氧化和抗炎的特性，具有一定的药用价值。随着人们对石榴产量需求的快速增长，筛选和培育高产优质的石榴品种越来越受到人们的重视。矮化栽培因其在植物光合效率、果实产量和抗病性等方面的优势而成为研究的热点之一。有研究表明，外源施加植物生长阻滞剂（PGR）可以成功诱导石榴矮化苗。比较转录组分析进一步揭示了PGR介导的植物生长激素合成下调在石榴矮化诱导中发挥了核心作用。除了基因转录外，植物的表型还受到转录后调控的影响，然而对于石榴的转录后调控的认识仍然有限。
（2）多聚腺苷酸化(ployA)是真核生物中一种重要的转录后调控机制，它调节 pre-mRNA的成熟。它包括两个耦合的步骤：在mRNA前体的3 ‘端进行核内分解切割和在切割位点添加polyA尾巴。对于很多基因来说，该过程可以发生在多个位点，即产生不同长度的成熟mRNA，这被称为选择性多聚腺苷酸化(APA)。APA事件已经被证实在基因组中广泛存在，如超过70%的拟南芥基因被发现有大于1个的ployA位点。虽然在多数情况下APA并不会改变mRNA的蛋白编码区域，但却可能会破坏位于3'-UTRs区域中的重要顺式调控元件，最终导致mRNA稳定性、定位和翻译效率的改变。某些研究已经突显了APA在调控植物生长、发育和抗环境压力方面的重要功能。然而，尚未研究PGR诱导的矮化在石榴中的APA机制。
亮点
在本研究中，作者重新分析了已发表的RNA-seq数据集，并表征了用三种植物生长调节剂（PGRs）——paclobutrazol、B9和甘露醇处理的石榴幼苗的全基因组APA动态，以解读APA介导的调控机制在PGR诱导的矮化石榴中的生物学意义。此外，作者还将APA调控与基因表达变化进行了比较，旨在解析在石榴生长抑制中转录和转录后调控机制的贡献。
结论1 PGR诱导的APA在调节石榴生长中起重要作用
Fig 1A
通过外缘施加PGR，与对照相比产生289-2553个差异表达APA基因（differentially expressed APA genes, DAGs, Fig 1A）。
Fig 1B-D
GO富集显示，这些基因与植物生长发育过程相关（Fig 1B-D)。例如，8 mg/L B9诱导的DAG与生长素运输、根发育和茎尖分生组织维持相关(Fig 1B)，响应mannitol的DAG主要参与叶片发育和衰老、光形态发生、气孔运动和细胞对渗透胁迫的响应方面(Fig 1C)。6mg /L的paclobutrazol会影响生长调节和细胞壁的生物合成，8mg /L处理下的DAG与叶片发育相关 (Fig 1D)。
对于所有PGR，高浓度处理比低浓度处理能引起更多的APA变化(Fig 1A)，这与它们对石榴幼苗生长的更大抑制作用是一致的。
Fig 2A
paclobutrazol在两个浓度下共有341个DAG，这些DAG主要与生长速率和叶片衰老调控相关（Fig 2A）。相比之下，在6 mg/L和8 mg/L处理下，分别有241个和2212个基因显示出独特的APA事件。6 mg/L paclobutrazol诱导的DAG主要富集于叶片发育和类囊体，而8 mg/L的paclobutrazol诱导的DAG主要参与细胞尖端生长和气孔运动调节（Fig 2A）。这些APA事件的特异性出现反应了PGR的剂量效应，这可能有助于确定施加PGR的最佳浓度。
结论2 不同类型的PRG诱导不同的APA事件
Fig 2B
在不同类型的PGR处理中，APA的变化也显示出一定的差异（Fig 2B）。总的来说，外用8mg /L paclobutrazol、8mg /L B9和15g /L mannitol时分别发生了1308、693和109个APA事件，而在这三种处理中只观察到147个APA事件。功能富集分析表明，共同发生的APA事件主要影响叶片发育和衰老、气孔关闭、过氧化氢跨膜运输和细胞对氧化还原状态的响应 (Fig 2B)。相比之下，8 mg/L paclobutrazol特异性诱导的DAG在线粒体呼吸链复合物、类囊体、纤维素生物合成通路中富集，仅在8 mg/L B9处理下发生的DAG在生长素运输、叶黄素生物合成和向光性方面富集（Fig 2B）。
Fig 3
核心多腺苷酸化因子的表达水平变异已被发现参与调控APA事件。本研究中，作者首次在石榴基因组中鉴定了编码四种类型的植物多腺苷酸化因子亚基的基因，包括CstF、CPSF、PABPs和FIP1，并比较了它们在每种处理情景下相对于CK的表达谱。
作者发现，在施加PRG后，有几个多腺苷酸化基因显示出差异表达，这可能在APA调控中发挥重要作用（Fig 3）。值得注意的是，这些基因的表达在不同处理中也显示出丰富的特异性。在所有三种PRG中，只有PABP 7B基因，在基因表达中表现出普遍的差异（Fig 3）。
结论3 APA和基因表达变化在生长调控中发挥相对独立的作用
Fig 4A-C
为了探索基因转录和APA动态在调控植物生长调节剂引起的石榴矮化中的不同作用，作者将在每种处理中确定的DAGs与相应情景的DEGs进行了比较。在植物生长调节剂处理时，大多数基因在基因表达或APA方面都受到特定调控（Fig 4）。例如，在6 mg/L的paclobutrazol中的582的DAG中，有24个（占4.1%）表现出差异表达，在8 mg/L的paclobutrazol中的2553的DAG中，有572个（占22.4%）表现出差异表达。
由6 mg/L的paclobutrazol诱导的差异表达特异性基因在细胞增殖、生长素生物合成和油菜素醇应答方面表现出较高的富集（Fig 4B），特异性DAG主要与生长调控、果胶酯酶活性以及水杨酸相关（Fig 4C）。
Fig 4D-F
在施加8 mg/L的paclobutrazol时，与CK相比，与超氧化物歧化酶活性和根毛伸长相关的基因可能会表现出独特的差异表达（Fig 4E），而参与纤维素生物合成、氧化应激调控以及对水杨酸和烟碱应答的基因显示出不同的APA使用情况（Fig 4F）。
结论4 3’ UTR的长度变化会影响microRNA的靶点
Fig 5A-B
有研究发现，APA事件还可以在转录后和翻译水平上显著调节基因表达。与CK相比，在植物生长调节剂处理的幼苗中，DAGs显示出对使用远端ployA位点的全局偏好（Fig 5A-B）。例如，在处理8 mg/L的paclobutrazol时，有2360个DAGs表现出更多使用具有较长3‘ UTR，而只有305个基因使用更近的poly A位点（Fig 5B）。这些加长的3’ UTR被认为能够容纳更多的miRNA靶点，从而通过影响稳定性进一步调节mRNA的丰度。通过预测，作者发现相对于较短的3‘ UTR，较长的3' UTR被推断含有额外的miRNA靶点，比例为65.99%–74.07%（Fig 5A-B）。
Fig 5C-E
作者鉴定到61个转录本受到3‘ UTR长度变化的影响，包含了超过10个潜在的miRNA靶点（Fig 5C）。这些miRNAs中，大多数既包括构成性miRNAs（存在于具有短和长3’ UTR的异构体中）也包括加长3‘ UTR特异miRNAs，被确认在相应mRNA的剪切中发挥作用，而9.00%-12.73%的延长3’ UTR特有的miRNAs被认为抑制mRNA的翻译（Fig 5D）。
更重要的是，多达259个具有加长3‘ UTR的DAGs被miRNAs靶向，并在植物生长调节剂处理下显著下调表达。在处理8 mg/L的paclobutrazol时，通过miRNA介导的表达下调的基因在发育生长、侧根分枝、保持芽尖分生组织特征以及对异烟肼的细胞应答等GO术语中富集，凸显了它们在调控石榴幼苗生长和发育中的重要作用（Fig 5E）。
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