DNA甲基化的应用：揭示番茄黄化曲叶病毒感染过程中的表观遗传学变化

双生病毒（Geminiviruses）是一种DNA植物病毒，可引起影响全球作物的高度破坏性疾病。在感染过程中，双生病毒调控细胞过程，抑制植物防御，并导致感染细胞的大量重编程，导致整个植物稳态重大变化。测序技术进步允许大规模同时分析病毒感染的多个方面，为植物-病毒互作的分子机制产生新的见解。然而尚未对双生病毒感染期间宿主转录组、sRNA谱和甲基化组的变化进行综合研究。

2023年12月18日，西班牙亚热带和地中海园艺研究所Araceli G. Castillo团队在《BMC Plant Biology》杂志发表题为“Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato”的研究论文，该研究使用短读长测序，通过全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）分析了TYLCV感染的番茄(Solanum lycopersicum)植株在四个时间点（TYLCV感染接种后第2、7、14和21天）（days post-inoculation, dpi）的mRNA和sRNA转录组变化，以及14dpi的番茄甲基化组变化。这些数据的分析和整合研究了TYLCV感染期间宿主基因表达的变化及其对sRNA调控（miRNA和阶段性次级小干扰RNA（phasiRNA））和DNA甲基化的依赖性。本研究首次对双生病毒感染后番茄mRNA、sRNA转录组和甲基化组变化进行了全面分析。
 
标题：Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato（番茄黄化曲叶病毒感染过程中的转录和表观遗传学变化）
时间：2023-12-18
期刊：BMC Plant Biology
影响因子：5.3
技术平台：WGBS、RNA-seq、sRNA-seq等
 
研究摘要：
本研究使用时间节点方法，旨在分析番茄对双生病毒番茄黄化曲叶病毒（tomato yellow leaf curl virus，TYLCV）感染的基因调控。研究结果揭示番茄在TYLCV感染后经历了大量的转录和转录后变化，并鉴定出主要变化的调控通路。尽管诱导了主要的植物防御相关过程、基因沉默和免疫反应，但无法阻止感染建立。将细胞外和细胞内免疫受体鉴定为失调的microRNA（miRNA）靶标，并为也产生阶段性次级小干扰RNA（phasiRNA）受体建立了网络。此外感染后14天，在症状普遍出现的时间点，病毒DNA量达到最大水平，但番茄甲基化组没有显著的全基因组变化，但能够鉴定出差异甲基化区域，这些区域可能参与一些差异表达基因的转录调控。

本研究对TYLCV感染过程中番茄转录、转录后和表观遗传水平变化进行了全面可靠的研究。所产生的基因组信息对于了解番茄TYLCV感染引起的遗传、分子和生理变化具有重要意义。
 
研究结果：
（1）番茄TYLCV感染过程中的转录变化

1. 在2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi的naïve(蓝色)、mock(绿色)和TYLCV感染样品（红色）中番茄基因表达谱在分层聚类的热图中显示。右侧的蓝色条表示归一化reads数。
2. 堆叠条形图显示TYLCV感染与mock样品在2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi的上调DEG（红色）和下调DEG（蓝色）数量。
3. 维恩图显示2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi共有和特异性上调DEG和下调DEG。

B和C，只显示FDR矫正p值≤0.05和≥1.5倍诱导或≤0.75倍抑制的的DEG
 
（2）番茄DEGs对TYLCV感染的功能富集
  图2：番茄对TYLCV感染响应的生物过程转录失调。使用基因组富集分析（GSEA）计算方法和MapMan本体论作为基因组来源，用于鉴定在7dpi、14dpi和21 dpi显著富集上调（红色）或下调基因（蓝色）的生物过程。没有颜色表示没有统计学上的显著富集（FDR校正p值 ≤ 0.05）
   
（3）TYLCV感染过程中转录变化动态 图3：番茄TYLCV感染期间转录调控动态。SplineCluster算法对番茄DEG进行聚类响应TYLCV感染（2,7,14和21 dpi）。
 
（4）TYLCV感染期间的番茄小RNA谱

1. 在2、7、14和21 dpi的naïve、mock和TYLCV感染的番茄样品中，大小类别20-25 nt sRNA reads比对到番茄基因组（18-26 nt）的总sRNA reads百分比。每条对应于一个生物学重复。
2. 在2、7、14和21 dpi的naïve(蓝色)、mock(绿色)和TYLCV感染（红色）样品中番茄sRNA的表达用分层聚类热图显示。右侧的蓝色条表示归一化CPM

（5）TYLCV感染过程中番茄microRNA表达谱的变化 图5：番茄TYLCV感染过程中miRNA表达变化。与14和21 dpi的mock感染相比，TYLCV感染样品中的miRNA表达变化（| log2FC |，log2FC的绝对值）。上调miRNA以红色显示，下调miRNA以蓝色显示
 
（6）TYLCV感染过程中miRNA靶基因的转录后调控 A、 基于表达水平对14和21 dpi推测miRNA靶基因分类。UP：上调，DW：下调，nc（no change）：靶基因无差异表达。
B、 DEmiRNA（x轴）及其靶基因（y轴）在21 dpi时的表达水平（log2FC为TYLCV/mock比）
 
（7）TYLCV感染过程中phasiRNA及其预测靶基因和PHAS位点的比较表达 图7：在TYLCV感染的番茄植株中，DEphasiRNA及其预测的靶基因表达水平。
A、 堆叠条形图显示了TYLCV感染与mock样品在14dpi和21 dpi的DEphasiRNA数量、上调（红色）和下调（蓝色）的phasiRNA。
B、 基于miRNA和靶基因表达水平，在14和21 dpi时预测phasiRNA-target对数。
C、 DEphasiRNAs（x轴）及其靶基因（y轴）在21 dpi时的表达水平（log2FC为TYLCV/mock比）
  图8：番茄miRNA PHAS位点phasiRNA网络对TYLCV感染21 dpi的影响。miRNA（21和22 nt，菱形）的网络表示，其在21 dpi时从其靶PHAS位点转录本（矩形）触发dephasirna（正方形）形成。每个几何形状都被一条彩色线包围，表示它们的差异表达模式：红色表示诱导，蓝色表示抑制，灰色表示无差异表达。
（8）番茄基因组DNA甲基化与TYLCV感染的关系 A、 TYLCV感染和mock样品在不同环境（CG、CHG和CHH）染色体上5-甲基胞嘧啶的分布图。染色体名称显示在外边缘。
B、 mock和感染植株的两个生物重复（R1和R2）的基因甲基化率和TEs/重复序列。转录起始位点（TSS）和多聚腺苷酸化位点（PAS）。
C、 每个甲基化环境（CG、CHG和CHH）上DMR（TYLCV/mock）的总数和百分比。
D、 基因和TEs/重复序列中低甲基化和高甲基化区域的数量。
 
参考文献：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.