Plant Physiology | 北大农研院侯毅枫、陈永明团队联合山东农大张宪省团队解析小麦耐盐表观转录调控新机制

土壤盐渍化是制约全球小麦产量提升的关键非生物胁迫因子。我国黄淮海、环渤海核心麦区盐碱耕地面积呈持续扩大态势，土壤盐害会引发小麦出苗率下降、根系形态建成受阻、籽粒千粒重显著降低，最终造成严重的产量损失。当前，针对小麦盐胁迫响应在转录水平的调控机制已开展大量研究，然而由RNA表观修饰介导的转录后耐盐调控网络仍缺乏系统性阐释。

近日，北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室联合山东农业大学团队在国际知名植物学期刊Plant Physiology在线发表了题为“Dissecting wheat epitranscriptome and proteome under saltstress characterizes an m⁶A reader gene vital for salinity adaptation”的研究成果。该研究利用纳米孔直接RNA测序（Nanopore DRS）联合定量蛋白质组学，绘制了完整的小麦早期盐胁迫下m⁶A表观转录组全景图谱，鉴定并验证了关键m⁶A修饰识别蛋白TaECT5的功能，构建了从RNA修饰、mRNA加工到蛋白丰度的多层级耐盐调控网络。该工作建立了六倍体小麦响应盐胁迫的表观转录组调控框架，揭示了TaECT5正向调控小麦耐盐性的新功能，拓展了植物逆境响应表观调控的理论认知，并为耐盐小麦精准分子设计育种提供了潜在靶点。

植物盐胁迫响应分为胁迫感知、早期信号传导、下游通路激活与适应性生理调控多个阶段。目前转录水平的盐响应机制已有大量研究，但m⁶A甲基化、选择性多聚腺苷酸化（APA）、poly(A)尾长度（PAL）协同调控基因翻译与蛋白丰度的研究在六倍体小麦中尚未见报道。m⁶A是真核mRNA上最丰富的可逆RNA修饰，依赖Writer、Eraser、Reader三类蛋白分别催化其添加与去除，并介导修饰信号的识别；同时3'UTR区域的m⁶A修饰可直接调控多聚腺苷酸化与poly(A)尾动态，三者共同决定mRNA稳定性与翻译效率，是植物快速响应逆境的关键转录后调控开关。

研究团队发现盐胁迫处理仅半小时后，小麦根系即出现钠离子大量富集，超氧阴离子、过氧化氢等活性氧发生爆发，SOD、POD抗氧化酶活性显著升高，同时大量耐盐关键基因发生显著差异表达。上述结果表明，盐胁迫处理0.5 h的根系样本适用于解析盐胁迫早期表观转录组重编程过程。基于此，研究团队利用Nanopore DRS同步绘制m⁶A修饰、APA事件与poly(A)尾长度全局动态图谱，同时结合4D-DIA定量蛋白质组，构建了从表观修饰到蛋白丰度的多组学关联调控网络。

图1. 盐胁迫会引发m⁶A修饰水平发生全局性动态改变

全基因组m⁶A修饰图谱分析显示，小麦mRNA中超过95%的m⁶A修饰位点定位于3'UTR区域，且这些位点高度富集经典保守识别基序RRACH。盐胁迫处理可显著降低小麦整体m⁶A甲基化水平，绝大多数盐胁迫应答基因呈现低甲基化修饰特征。多组学关联分析表明，m⁶A修饰丰度与基因转录本丰度、蛋白积累量呈显著负相关：低甲基化转录本的mRNA/蛋白丰度同步上调，而高甲基化转录本的mRNA/蛋白丰度则受到明显抑制。同时，研究发现m⁶A修饰与mRNA 3'端加工进程存在紧密耦合关系：盐胁迫诱导小麦全局偏好选用远端poly(A)位点，poly(A)尾平均长度显著增加；携带m⁶A修饰的转录本普遍拥有更长的poly(A)尾，二者协同重塑逆境下mRNA的稳定性与翻译命运。本研究还发现转录组与蛋白组整体仅存在微弱正相关，该结果直接证实转录后表观调控是小麦响应盐胁迫的关键调控层级。

图2. TaECT5参与小麦盐胁迫

基于全基因组m⁶A调控基因的表达筛选，研究团队锁定根系特异性高表达的YTH家族m⁶A识别蛋白TaECT5。序列比对与蛋白结构模拟显示，TaECT5拥有高度保守的色氨酸芳香笼结构；体外RNA-EMSA实验证实TaECT5可特异性结合携带m⁶A修饰的RRACH基序RNA。利用CRISPR-Cas9基因编辑创制Taect5突变体，生理及遗传实验证实TaECT5是小麦苗期耐盐的关键基因：盐胁迫下突变体存活率下降82.4%，地上部鲜重大幅降低，同时地上部钠离子过量累积，根系活性氧爆发。分子机制解析表明，TaECT5通过识别带有m⁶A修饰的靶mRNA，调控已知关键耐盐基因的mRNA降解速率，进而参与小麦苗期盐胁迫适应性调控。

图3. 作用机制模式图

北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室副研究员臧杰、科研助理张倩、科研助理张钰钰为该论文共同第一作者；北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室侯毅枫研究员、小麦育种全国重点实验室主任/山东农业大学张宪省教授、北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室陈永明研究员为该论文的共同通讯作者；北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室与山东农业大学联合培养硕士研究生王铮、山东农业大学董玉秀副教授也参与了该项研究工作。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、泰山学者青年基金、山东省自然科学基金等项目的资助和小麦育种全国重点实验室的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiag540