Plant Physiol. | 南京农业大学杨东雷团队克隆并研究了基因沉默关键因子—FEM2

南京农业大学杨东雷教授在中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华院士实验室读博时发现赤霉素是水稻感病激素，超表达赤霉素失活酶－EUI1大幅提高水稻对白叶枯病与稻瘟病的抗病能力 (Yang et al., 2008, Molecular Plant)。利用CaMV35S强启动子驱动另一类赤霉素失活酶－OsGA2ox1同样可以降低赤霉素含量，大幅提高水稻基础抗病能力，然而美中不足的是35S::OsGA2ox1转基因很容易发生基因沉默，抗病性与矮化等优异性状完全消失。基因沉默是作物转基因育种经常遇到的难题，其机制在拟南芥中已经比较清楚，但人们对作物的基因沉默分子通路却知之甚少，防止转基因沉默的种质也一直匮乏。

为了解决以上难题，杨东雷课题组利用沉默的35S::OsGA2ox1为背景材料，通过诱变获得35S::OsGA2ox1恢复超表达，抗病能力强与植株矮化等赤霉素缺乏的表型也随之重现的five elements mountain (fem)突变体。之前对FEM1和FEM3的研究，发现它们分别编码OsRDR2与OsNRPE1 (Wang et al., 2022, Plant Physiology; Zheng et al., 2021, PNAS) 。

近日，杨东雷实验室在Plant Physiology在线发表了题为“Rice requires a chromatin remodeler for Polymerase IV-small interfering RNA production and genomic immunity”的研究论文，克隆并研究基因沉默关键因子－FEM2。

在该项工作中他们分离到多个35S::OsGA2ox1恢复超表达，高抗病与矮化重现的fem2突变体。在fem2中，35S启动上的CHH甲基化水平大幅下降。图位克隆发现FEM2编码一个染色质重塑因子，与拟南芥的CLASSY是同源蛋白。在拟南芥中，四个CLASSY以功能冗余的形式协助RNA Polymerase (Pol IV) 转录，突变一个、两个或三个CLASSY只影响少数区域上的small interfering RNA (siRNA) 和DNA甲基化水平，只有它们四个同时突变后，Pol IV-OsRDR2产生的siRNA才全部消失 (Yang et al., 2018, Cell Discovery)。水稻中有三个CLASSY的直系同源基因－FEM2、FEM2-Like 1 (FEL1) 和FEL2。与拟南芥大不相同的是，突变FEM2一个基因就丧失了Pol IV-FEM1/OsRDR2产生的所有siRNAs，这些区域的DNA甲基化水平也随之大幅降低，造成突变体的抗病性提高、结实率大幅下降、株高降低、穗子变小等各种农艺性状的改变。同时敲除FEL1和FEL2，DNA甲基化没有减少，各种农艺性状也与野生型并无二致。

分别超表达FEM2、FEL1或FEL2并不能恢复拟南芥clsy四突变DNA甲基化丧失的表型，表明水稻与拟南芥中协助Pol IV的染色质重塑因子发生了功能歧化。在fem2突变体中超表达FEL2并不能互补DNA甲基化丧失的表型，但是超表达FEL1却在很多区域回补了DNA甲基化，表明FEL1具备隐藏的功能。

为何突变FEM2丧失了所有的Pol IV-FEM1/OsRDR2 产生的siRNA，造成诸多表型的显著变化；而FEL1突变后没有任何改变呢？他们检测了这三个基因在多种组织中的转录水平，发现FEM2的转录水平比FEL1和FEL2的都显著高。FEL1和FEL2的启动子区域含有高度DNA甲基化的转座子，并且这些区域含有高水平的H3K9me1与H3K9me2等抑制型的组蛋白修饰，这些表观遗传修饰很可能是造成FEL1和FEL2转录水平较低的主要原因。

在野生型中转入35S::OsGA2ox1后，绝大部分株系的转基因在当代就沉默，而在不含有35S::OsGA2ox1的fem2与fem3中转入35S::OsGA2ox1后，大部分株系都表现矮化、抗病等赤霉素缺失表型，OsGA2ox1的转录水平维持在高位。fem2与fem3的功能缺失成为防止转基因沉默并提高抗病能力的潜在新种质。

南京农业大学已毕业的博士徐大超与宜春科学院曾龙军副研究员为共同第一作者，南京农业大学杨东雷教授为通讯作者。王莉莉博士为本工作的数据分析作出了重要贡献，南京农业大学生物信息高通量计算平台为表观基因组数据的分析提供了算力支撑。本工作获得了国家重点研发计划 (2022YFF1001500) 与自然科学基金－面上项目(31970280) 的资助。

参考文献：

Xu D, Zeng L, Wang L, Yang DL (2023). Rice requires a chromatin remodeler for Polymerase IV-small interfering RNA production and genomic immunity. Plant Physiology. kiad624.

Wang L, Zheng K, Zeng L, Xu D, Zhu T, Yin Y, Zhan H, Wu Y, Yang DL (2022). Reinforcement of CHH methylation through RNA-directed DNA methylation ensures sexual reproduction in rice. Plant Physiology. 188: 1189‒1209.

Yang DL, Li Q, Deng YW, Lou YG, Wang MY, Zhou GX, Zhang YY, He ZH (2008). Altered disease development in the eui mutants and Eui overexpressors indicates that gibberellins negatively regulate rice basal disease resistance. Molecular Plant 1: 528‒537.

Yang DL, Zhang G, Wang L, Li J, Xu D, Di C, Tang K, Yang L, Zeng L, Miki D, Duan CG, Zhang H, Zhu JK (2018). Four putative SWI2/SNF2 chromatin remodelers have dual roles in regulating DNA methylation in Arabidopsis. Cell Discovery. 4: 55.

Zheng K, Wang L, Zeng L, Xu D, Guo Z, Gao X, Yang DL (2021). The effect of RNA polymerase V on 24-nt siRNA accumulation depends on DNA methylation contexts and histone modifications in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 118: e2100709118.

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad624