植物必须使其生理机能适应变化的环境。转录、mRNA降解、翻译和蛋白质降解是细胞基因调控的四个基本过程。尽管此前已经研究了转录组和蛋白质组之间的关联，但这种关联在植物干旱胁迫下仍然未知，获取精确的转录组和翻译谱对于理解干旱反应的分子机制是极其重要的。

文章题目：Drought induces epitranscriptome and proteome changes in stem-differentiating xylem of Populus trichocarpa

发表期刊：plant physiology

IF： 8.005

发表时间：2021.06

了解基因表达和调控需要更加深入了解RNA转录、加工、修饰和翻译。然而，干旱胁迫下毛果杨（Populus trichocarpa）的表观转录组和蛋白质组之间的关系仍不确定。本研究利用Direct RNA-seq(DRS)揭示了干旱处理下毛果杨次生木质部中RNA全长转录本的比率、m6A、Poly(A)位点利用率和长度的动态变化，同时将表观转录组和蛋白质组进行关联分析。该项研究为后续抗逆林木遗传材料的培育提供了理论指导。

材料：未干旱处理（ND）、干旱处理5天（D5）和干旱处理7天（D7）的毛果杨的次生木质部组织（SDX）

方法：DRS和TMT检测

1. 干旱处理下SDX转录组的纳米孔DRS

取ND、D5和D7的SDX进行DRS测序和TMT标记检测，并对全长和非全长转录本进行相关性分析（图1 A-B）。与全长reads不同，非全长reads的分布显示出极端的3’偏性（图1C）。在干旱处理后，全长reads的百分比降低（图1 D-E），在D5与ND和D7与ND的比较中，只有9个基因的全长reads比增加（图1G）。D5与ND和D7与ND的全长reads比增加的基因在ND中的全长reads比非常低，降低的基因在ND中显示出较高的全长reads比（图1H）。

图1干旱胁迫下SDX的DRS测序结果

2. 干旱胁迫下，DEPs与差异表达基因存在显著重叠

将ND分别和D5与D7的蛋白质组图谱进行比较，确定它们的差异表达蛋白（DEP）。301和212个上调和下调的蛋白质在D5和ND的mRNA水平上被鉴定为差异表达。在D7与ND的比较中，检测到303和220上调和下调蛋白质在mRNA水平上差异表达（图2 A、D、E）。将DEGs和DEPs进行关联，其结果说明干旱胁迫下，DEPs与差异表达基因存在显著重叠。

图2 干旱胁迫期间SDX的质谱蛋白质组结果

3. 干旱胁迫下m6A的动态变化

对m6A的分布进行了解析（图4、A和B）。m6A平均比值在干旱胁迫下增加(图3C)。干旱前后木材形成基因m6A比例、mRNA和蛋白的表达结果表明m6A可能在逆境下抑制木材形成（图3D-F）。此外，我们确定了ND与D5和ND与D7的差异表达的m6A（DE m6A）位点（图4 G-H）。将差异表达基因和DE m6A位点进行关联分析，结果显示m6A甲基化通常与转录丰度负相关（图4I）。我们探索了m6A比率与蛋白质丰度和H3K9ac之间的关系，观察到类似于基因表达的趋势（图4 J-K）。

图3干旱胁迫下m6a甲基化的动态变化

4. 干旱胁迫促进远端PolyA位点的利用

研究表明，CPSF30可以控制APA位点选择。在干旱胁迫期间，我们对Ptr-CPSF30的表达和近端Poly（A）位点利用率（PPR）进行分析（图4A）。发现在干旱胁迫下，AAAAA和1nt变异的Poly（A）信号比略有增加，而UCGUU和1nt变异的Poly（A）信号比略有下降（图4 B-C）。分析干旱前后PPR有差异的基因，结果显示干旱胁迫下poly(A)的远端位点利用率增加(图4 D-E)。

图4 poly(A)位点利用对干旱胁迫的动态响应

5. 干旱胁迫诱导PAL差异

Poly(A)长度(PAL)影响mRNA稳定性、翻译效率和RNA从细胞核到细胞质的转移，并区分稳定RNA和不稳定RNA。干旱胁迫期间PAL增加幅度最大的五个基因功能组（D5>ND）均与蛋白质过程有关，而减幅最大的均与酶活性和对激素的反应有关（D5<nd；图5C）。内含子保留（IR）reads具有更长的poly(A)（图5D）。

图5 不同PAL对干旱胁迫的响应

6. PAL与转录水平和翻译相关

我们根据转录物丰度将基因分为高丰度、中丰度和低丰度（图6A-C）。三类PAL的比较表明，高表达基因往往具有短PAL，而低表达基因则倾向于长PAL。我们发现，高表达基因倾向于富集最优密码子，并分别在ND、D5和D7中表现出对短PAL的强烈偏向(图6D-F)。使用累积分数分析观察到具有低、中、高最佳密码子水平的转录本的PAL、mRNA丰度和蛋白质丰度（图6G-I）的分布存在显著差异。然而，在ND或干旱处理中，PAL和蛋白质丰度之间没有实质性的关联（图6J-L）。

图6 高表达的转录本往往有一个较短的PAL

本研究为毛果杨SDX响应干旱胁迫下的表观转录组和蛋白质组变化提供了一个全面的研究概况，扩展了人类关于干旱胁迫对基因表达转录后影响的理解，为后续抗逆林木遗传材料的培育提供了理论指导。

文章链接：

//doi.org/10.1093/plphys/kiac272