【文献精读】Nat. Commun | 嫁接如何改变植物性状

 提示：欢迎点击上方「植物生物学」↑关注我们！

植物的表观遗传变异包括sRNA表达、DNA甲基化、组蛋白修饰等。DNA甲基化的定点改变往往受sRNA控制（sRNA-directed DNA methylation，RdDM）。研究表明sRNA可通过维管组织长距离运输，通过嫁接研究可检测到sRNA介导的表观遗传效应。

MSH1是一种线粒体和质体靶向蛋白，影响植物生长速率、开花时间、胁迫响应等方面。msh1的突变可导致全基因组DNA甲基化重组、sRNA表达改变和可遗传的表型变化。将msh1突变体作为砧木进行嫁接，产生的后代表现更强的生长活力和种子产量，而且是一种可遗传表型。

2020年10月22日，宾夕法尼亚州立大学宾夕法尼亚州立大学Sally A. Mackenzie团队在Nature Communications在线发表题为MSH1-induced heritable enhanced growth vigor through grafting is associated with the RdDM pathway in plants的研究论文。该研究利用拟南芥和番茄的msh1突变体砧木进行嫁接试验，获得可遗传的突变表型。这种嫁接信号转导和遗传效应是由siRNA驱动胞嘧啶甲基化重组造成。甲基化重组的基因靶点包括生长素响应基因，从而提高植株生长势。

通过拟南芥嫁接试验，与野生型（Col-0）相比，msh1 突变体作为砧木的植株表现出更强的生长势，包括叶片大小、开花时间、种子重量（图1a-e）。番茄msh1 突变体作为砧木可显著提高总果数，且可遗传至后代（图1f-i）。

转录组测序表明msh1突变体嫁接植株的差异表达基因富集于胁迫和激素响应通路（图2a），然而部分基因存在砧木与接穗表达变化相反的情况（图2b）。

图2 嫁接植株中的差异表达基因（DEG）和富集通路

图3 嫁接植株后代的差异甲基化区域及基因富集分析

与msh1突变体不同，dcl2,3,4,msh1四重突变体在叶面积、开花时间和种子重上并没有表现出增强的生长势（图4a-d），其中dcl是一种影响植物sRNA整体丰度的基因（图4e）。砧木本体与嫁接后代的差异甲基化区域集中于转座因子区域（TE）（图4f），相关基因富集于植物激素信号通路，包括对生长素、油菜素类固醇、环戊酮的响应（图4g-h）。

图4 sRNA对嫁接植株的甲基化重组的影响

sRNA介导的TE区域甲基化在砧木和嫁接后代存在差异，主要为Gypsy、MuDR、Copia、L1家族（图5a-c），涉及的基因富集于信号转导、生长素运输和根系发育调节（图5d）。

图5 嫁接后代甲基化重组的TE区域

拟南芥和番茄嫁接后代幼苗总根长和侧根数都显著增加（图6）。与拟南芥相比，msh1突变对番茄的基因表达和甲基化变化更明显（图7）。

图6 msh1突变体的根系表型（TIBA为植物生长调节剂）。

图7 嫁接效应相关的生长素通路基因

综上，本研究在msh1突变砧木上引入突变体dcl2、dcl3和dcl4，干扰sRNA产生，从而揭示sRNA介导基因组甲基化重组，并可以随嫁接进行信号转导。这种嫁接表型可遗传，并且涉及许多生长素相关基因，增强植株生长势。msh1突变的嫁接信号转导可遗传五代以上，显示了表观遗传变异的农业潜力。本研究技术路线如下：

参考文献：Kundariya, H., Yang, X., Morton, K. et al. MSH1-induced heritable enhanced growth vigor through grafting is associated with the RdDM pathway in plants. Nat Commun 11, 5343 (2020).

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19140-x