DNA甲基化的應用：揭示番茄黃化曲葉病毒感染過程中的表觀遺傳學變化
雙生病毒（Geminiviruses）是一種DNA植物病毒，可引起影響全球作物的高度破壞性疾病。在感染過程中，雙生病毒調控細胞過程，抑制植物防御，并導致感染細胞的大量重編程，導致整個植物穩態重大變化。測序技術進步允許大規模同時分析病毒感染的多個方面，為植物-病毒互作的分子機制產生新的見解。然而尚未對雙生病毒感染期間宿主轉錄組、sRNA譜和甲基化組的變化進行綜合研究。
2023年12月18日，西班牙亞熱帶和地中海園藝研究所Araceli G. Castillo團隊在《BMC Plant Biology》雜志發表題為“Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato”的研究論文，該研究使用短讀長測序，通過全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）分析了TYLCV感染的番茄(Solanum lycopersicum)植株在四個時間點（TYLCV感染接種后第2、7、14和21天）（days post-inoculation, dpi）的mRNA和sRNA轉錄組變化，以及14dpi的番茄甲基化組變化。這些數據的分析和整合研究了TYLCV感染期間宿主基因表達的變化及其對sRNA調控（miRNA和階段性次級小干擾RNA（phasiRNA））和DNA甲基化的依賴性。本研究首次對雙生病毒感染后番茄mRNA、sRNA轉錄組和甲基化組變化進行了全面分析。
標題：Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato（番茄黃化曲葉病毒感染過程中的轉錄和表觀遺傳學變化）
時間：2023-12-18
期刊：BMC Plant Biology
影響因子：5.3
技術平臺：WGBS、RNA-seq、sRNA-seq等
研究摘要：
本研究使用時間節點方法，旨在分析番茄對雙生病毒番茄黃化曲葉病毒（tomato yellow leaf curl virus，TYLCV）感染的基因調控。研究結果揭示番茄在TYLCV感染后經歷了大量的轉錄和轉錄后變化，并鑒定出主要變化的調控通路。盡管誘導了主要的植物防御相關過程、基因沉默和免疫反應，但無法阻止感染建立。將細胞外和細胞內免疫受體鑒定為失調的microRNA（miRNA）靶標，并為也產生階段性次級小干擾RNA（phasiRNA）受體建立了網絡。此外感染后14天，在癥狀普遍出現的時間點，病毒DNA量達到最大水平，但番茄甲基化組沒有顯著的全基因組變化，但能夠鑒定出差異甲基化區域，這些區域可能參與一些差異表達基因的轉錄調控。
本研究對TYLCV感染過程中番茄轉錄、轉錄后和表觀遺傳水平變化進行了全面可靠的研究。所產生的基因組信息對于了解番茄TYLCV感染引起的遺傳、分子和生理變化具有重要意義。
研究結果：
（1）番茄TYLCV感染過程中的轉錄變化
圖1：番茄植株TYLCV感染期間的轉錄變化。
（2）番茄DEGs對TYLCV感染的功能富集
圖2：番茄對TYLCV感染響應的生物過程轉錄失調。使用基因組富集分析（GSEA）計算方法和MapMan本體論作為基因組來源，用于鑒定在7dpi、14dpi和21 dpi顯著富集上調（紅色）或下調基因（藍色）的生物過程。沒有顏色表示沒有統計學上的顯著富集（FDR校正p值 ≤ 0.05）
（3）TYLCV感染過程中轉錄變化動態
圖3：番茄TYLCV感染期間轉錄調控動態。SplineCluster算法對番茄DEG進行聚類響應TYLCV感染（2,7,14和21 dpi）。
（4）TYLCV感染期間的番茄小RNA譜
圖4：TYLCV感染過程中的番茄sRNA譜。
（5）TYLCV感染過程中番茄microRNA表達譜的變化
圖5：番茄TYLCV感染過程中miRNA表達變化。與14和21 dpi的mock感染相比，TYLCV感染樣品中的miRNA表達變化（| log2FC |，log2FC的絕對值）。上調miRNA以紅色顯示，下調miRNA以藍色顯示
（6）TYLCV感染過程中miRNA靶基因的轉錄后調控
B、 DEmiRNA（x軸）及其靶基因（y軸）在21 dpi時的表達水平（log2FC為TYLCV/mock比）
（7）TYLCV感染過程中phasiRNA及其預測靶基因和PHAS位點的比較表達
圖7：在TYLCV感染的番茄植株中，DEphasiRNA及其預測的靶基因表達水平。
A、 堆疊條形圖顯示了TYLCV感染與mock樣品在14dpi和21 dpi的DEphasiRNA數量、上調（紅色）和下調（藍色）的phasiRNA。
B、 基于miRNA和靶基因表達水平，在14和21 dpi時預測phasiRNA-target對數。
C、 DEphasiRNAs（x軸）及其靶基因（y軸）在21 dpi時的表達水平（log2FC為TYLCV/mock比）
圖8：番茄miRNA PHAS位點phasiRNA網絡對TYLCV感染21 dpi的影響。miRNA（21和22 nt，菱形）的網絡表示，其在21 dpi時從其靶PHAS位點轉錄本（矩形）觸發dephasirna（正方形）形成。每個幾何形狀都被一條彩色線包圍，表示它們的差異表達模式：紅色表示誘導，藍色表示抑制，灰色表示無差異表達。
（8）番茄基因組DNA甲基化與TYLCV感染的關系
圖9：TYLCV感染后的番茄表觀基因組圖譜。
A、 TYLCV感染和mock樣品在不同環境（CG、CHG和CHH）染色體上5-甲基胞嘧啶的分布圖。染色體名稱顯示在外邊緣。
B、 mock和感染植株的兩個生物重復（R1和R2）的基因甲基化率和TEs/重復序列。轉錄起始位點（TSS）和多聚腺苷酸化位點（PAS）。
C、 每個甲基化環境（CG、CHG和CHH）上DMR（TYLCV/mock）的總數和百分比。
D、 基因和TEs/重復序列中低甲基化和高甲基化區域的數量。
參考文獻：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.
2023年12月18日，西班牙亞熱帶和地中海園藝研究所Araceli G. Castillo團隊在《BMC Plant Biology》雜志發表題為“Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato”的研究論文，該研究使用短讀長測序，通過全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）分析了TYLCV感染的番茄(Solanum lycopersicum)植株在四個時間點（TYLCV感染接種后第2、7、14和21天）（days post-inoculation, dpi）的mRNA和sRNA轉錄組變化，以及14dpi的番茄甲基化組變化。這些數據的分析和整合研究了TYLCV感染期間宿主基因表達的變化及其對sRNA調控（miRNA和階段性次級小干擾RNA（phasiRNA））和DNA甲基化的依賴性。本研究首次對雙生病毒感染后番茄mRNA、sRNA轉錄組和甲基化組變化進行了全面分析。
標題：Transcriptional and epigenetic changes during tomato yellow leaf curl virus infection in tomato（番茄黃化曲葉病毒感染過程中的轉錄和表觀遺傳學變化）
時間：2023-12-18
期刊：BMC Plant Biology
影響因子：5.3
技術平臺：WGBS、RNA-seq、sRNA-seq等
研究摘要：
本研究使用時間節點方法，旨在分析番茄對雙生病毒番茄黃化曲葉病毒（tomato yellow leaf curl virus，TYLCV）感染的基因調控。研究結果揭示番茄在TYLCV感染后經歷了大量的轉錄和轉錄后變化，并鑒定出主要變化的調控通路。盡管誘導了主要的植物防御相關過程、基因沉默和免疫反應，但無法阻止感染建立。將細胞外和細胞內免疫受體鑒定為失調的microRNA（miRNA）靶標，并為也產生階段性次級小干擾RNA（phasiRNA）受體建立了網絡。此外感染后14天，在癥狀普遍出現的時間點，病毒DNA量達到最大水平，但番茄甲基化組沒有顯著的全基因組變化，但能夠鑒定出差異甲基化區域，這些區域可能參與一些差異表達基因的轉錄調控。
本研究對TYLCV感染過程中番茄轉錄、轉錄后和表觀遺傳水平變化進行了全面可靠的研究。所產生的基因組信息對于了解番茄TYLCV感染引起的遺傳、分子和生理變化具有重要意義。
研究結果：
（1）番茄TYLCV感染過程中的轉錄變化
圖1：番茄植株TYLCV感染期間的轉錄變化。
- 在2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi的naïve(藍色)、mock(綠色)和TYLCV感染樣品（紅色）中番茄基因表達譜在分層聚類的熱圖中顯示。右側的藍色條表示歸一化reads數。
- 堆疊條形圖顯示TYLCV感染與mock樣品在2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi的上調DEG（紅色）和下調DEG（藍色）數量。
- 維恩圖顯示2dpi、7dpi、14dpi和21 dpi共有和特異性上調DEG和下調DEG。
（2）番茄DEGs對TYLCV感染的功能富集
表1：TYLCV感染期間參與轉錄后基因沉默的差異表達番茄基因
（3）TYLCV感染過程中轉錄變化動態
（4）TYLCV感染期間的番茄小RNA譜
圖4：TYLCV感染過程中的番茄sRNA譜。
- 在2、7、14和21 dpi的naïve、mock和TYLCV感染的番茄樣品中，大小類別20-25 nt sRNA reads比對到番茄基因組（18-26 nt）的總sRNA reads百分比。每條對應于一個生物學重復。
- 在2、7、14和21 dpi的naïve(藍色)、mock(綠色)和TYLCV感染（紅色）樣品中番茄sRNA的表達用分層聚類熱圖顯示。右側的藍色條表示歸一化CPM
（5）TYLCV感染過程中番茄microRNA表達譜的變化
表2：sRNA-seq數據集中鑒定的番茄miRNA分類
（6）TYLCV感染過程中miRNA靶基因的轉錄后調控
圖6：在TYLCV感染的番茄中，demiRNA及其預測的靶基因表達水平。
A、 基于表達水平對14和21 dpi推測miRNA靶基因分類。UP：上調，DW：下調，nc（no change）：靶基因無差異表達。B、 DEmiRNA（x軸）及其靶基因（y軸）在21 dpi時的表達水平（log2FC為TYLCV/mock比）
（7）TYLCV感染過程中phasiRNA及其預測靶基因和PHAS位點的比較表達
A、 堆疊條形圖顯示了TYLCV感染與mock樣品在14dpi和21 dpi的DEphasiRNA數量、上調（紅色）和下調（藍色）的phasiRNA。
B、 基于miRNA和靶基因表達水平，在14和21 dpi時預測phasiRNA-target對數。
C、 DEphasiRNAs（x軸）及其靶基因（y軸）在21 dpi時的表達水平（log2FC為TYLCV/mock比）
表3：在14和21 dpi產生DEphasiRNA的番茄PHAS位點及其miRNA觸發因子
（8）番茄基因組DNA甲基化與TYLCV感染的關系
圖9：TYLCV感染后的番茄表觀基因組圖譜。
B、 mock和感染植株的兩個生物重復（R1和R2）的基因甲基化率和TEs/重復序列。轉錄起始位點（TSS）和多聚腺苷酸化位點（PAS）。
C、 每個甲基化環境（CG、CHG和CHH）上DMR（TYLCV/mock）的總數和百分比。
D、 基因和TEs/重復序列中低甲基化和高甲基化區域的數量。
表4：TYLCV感染過程中番茄轉錄基因沉默的差異表達基因
表5：TYLCV感染的番茄植株中14 dpi比對基因的DMRs
表6：雙生病毒-番茄互作中差異表達的miRNA及其轉錄因子
參考文獻：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.
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