真核生物有三种非常保守的RNA聚合酶， Pol I、Pol II和Pol III，它们分别产生rRNA、mRNA和tRNA等不同种类的RNA。而在植物中，还存在两种额外的RNA聚合酶，Pol IV和Pol V。Pol IV和Pol V转录本在RNA介导的DNA甲基化（RdDM）通路中发挥关键作用。其中，Pol IV转录本可被加工成24-nt siRNA，siRNA与AGO4蛋白结合，并通过与Pol V转录本互补配对，将AGO4复合物招募至靶标位点，介导DNA从头甲基化。
戚益军课题组前期意外发现，与野生型相比，昆虫更喜欢取食pol v突变体叶片，而对pol iv突变体并无明显偏好。他们由此推测，Pol V在植物抗虫过程中有异于Pol IV或RdDM的独特功能。经深入研究，最终揭示Pol V转录本以独立于RdDM通路的方式，促进邻近基因的转录，从而正向调控植物对灰霉和甜菜夜蛾的抗性。相关研究结果于2024年8月26日在《自然植物》（Nature Plants）杂志在线发表，题目为“Pol V转录本在基因调控和植物防御中的RdDM非依赖功能”（An RdDM-independent function of Pol V transcripts in gene regulation and plant defence）。
该研究在前期意外发现的指引下，首先通过对pol iv和pol v突变体进行mRNA-seq，鉴定受Pol V特异调控的基因。结果表明，近500个基因在pol v突变体中特异上调，近1500个基因下调（图一）。有趣的是，在pol v突变体中特异下调的基因，显著富集于茉莉酸（JA）信号通路，表明Pol V可正向调控JA信号通路。已知JA信号通路的激活与植物对死体营养型真菌和杂食性昆虫幼虫取食的防御密切相关。与前期发现相一致的是，pol v突变体对灰霉和甜菜夜蛾的抗性明显下降，而pol iv和其它RdDM通路突变体并无类似表型 （图二）。这些结果表明，Pol V可通过独立于RdDM通路的方式调控基因表达和植物对病虫的抗性。
图一：Pol V特异调控近2000个基因的表达
图二：pol v突变体对灰霉和甜菜夜蛾的抗性下降
该研究进一步探索了Pol V如何调控基因表达。通过系统分析，鉴定了13000多个Pol V转录本（PVT），并发现近一半受Pol V调控的基因附近存在PVT。为了验证PVT是否可以直接调控邻近基因表达，该研究选取了JA响应基因ERF5和ERF6上游区域产生的PVT，PVT-ERF5a/b和PVT-ERF6，进行深入研究。通过CRISPR/Cas9技术敲除或利用人工miRNA敲减PVT-ERF5a/b和PVT-ERF6，证明这些PVT为ERF5和ERF6高效表达及植物对灰霉和甜菜夜蛾的抗性所必需。这些结果表明，Pol V可通过其转录产物正向调控ERF5和ERF6表达，从而增强植物对病虫的抗性。
图三：敲除ERF5和ERF6邻近的Pol V转录本导致植物对灰霉和甜菜夜蛾的抗性下降
该研究最后探究了PVT调控基因表达的机制。发现PVT在转录水平调控ERF5和ERF6的表达。已知非编码RNA可通过招募组蛋白修饰酶或调节其活性，调节靶位点组蛋白修饰，从而调控基因转录。其中，H3K4me3是一种与基因转录激活相关的组蛋白修饰。该研究检测了pol v突变体和pvt突变体中ERF5和ERF6位点的H3K4me3水平，发现PVT为ERF5和ERF6位点上H3K4me3积累所必需，这表明PVT很可能通过促进H3K4me3的累积，增强ERF5和ERF6的表达。
综上，该研究揭示了Pol V转录本以独立于RdDM通路的方式调控邻近基因转录的功能，革新了人们对Pol V转录本调控功能的认识。该研究还发现Pol V广泛调控生物和非生物胁迫响应相关基因。Pol V存在于所有陆生植物中，但不同的植物种类具有不同的Pol V全酶，Pol V介导的胁迫响应调节在植物演化中何时出现，以及是什么驱使了Pol V获得调节胁迫响应的功能仍需进一步探索。
戚益军教授为该论文的通讯作者，博士后袁宇翔和2021级在读博士生刘宇杰为论文的共同第一作者，2017级博士生韩露（已毕业）、助理研究员李艳博士参与了部分研究。北京生命科学研究所何新建研究员和金沙js4399首页生命学院谢道昕教授提供了实验材料和方法上的帮助。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、新基石科学基金会和清华-北大生命科学联合中心资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01774-0
