Microbiome | 中科院张惠明团队揭示RNA介导的DNA甲基化影响植物根部微生物群落！

研究背景

植物在根际中拥有多种土壤微生物，有机化合物从根部释放到土壤中，从而为土壤微生物提供了营养丰富的环境。根际微生物能够以不同的方式影响植物，例如通过产生刺激植物生长的植物激素或引起植物病害症状的致病因子。尽管根际微生物群落的体外重建在技术上仍具有挑战性，但根际细菌群落对于植物活力至关重要，这一点已日益清楚。根际微生物群落的组装受环境因素的变化影响，例如土壤湿度和铁养分的利用率，以及控制植物对细菌和其他微生物反应的植物免疫力的变化（Nature Microbiology | 根际微生物组保护植物免受病原菌侵染！PNAS | 康奈尔大学研究揭示碳代谢中的分层路径有利于缺铁土壤假单胞菌的铁清除策略！ISME | 最新研究揭示根际保护性微生物的富集有利于抑制番茄枯萎病！Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康）。此外，根际微生物群的组装也已显示受植物基因型的影响。然而，尚不清楚根际微生物群落是否受植物表观遗传因素的影响，后者控制基因组稳定性并控制遗传序列的转录，从而控制许多重要的生物学过程。

在胞嘧啶第5位的DNA甲基化是植物中的主要表观遗传标记。通过染色质结构的改变和对转录因子的可及性，单独或与其他表观遗传标记结合的DNA甲基化会影响转录活性。结果，DNA甲基化的破坏会导致植物发育异常以及植物反应的改变和对环境变化的适应性。在拟南芥中，从头DNA甲基化是通过RNA介导的DNA甲基化（RdDM）途径建立的，其中24-nt小干扰RNA（siRNA）与新生支架RNA之间的互补配对以及蛋白与蛋白的相互作用，诱导了DNA甲基化的蛋白质机制。在经典的RdDM途径中，siRNA和支架RNA的产生分别取决于植物特异性RNA聚合酶Pol IV和Pol V。一些RdDM因子的功能紊乱导致对植物对病原体敏感性的差异影响，然而RNA介导的DNA甲基化（RdDM）是否影响植物根际微生物群落的组装还不清楚。

2021年2月26日，权威学术期刊Microbiome发表了中科院上海植物逆境生物学研究中心张惠明团队的最新相关研究成果，题为Dicer-like proteins influence Arabidopsis root microbiota independent of RNA-directed DNA methylation的研究论文。

结果

通过应用16S rRNA基因测序，科研人员研究了在典型的RdDM途径中有缺陷的拟南芥突变体的根系微生物区系，包括在Dicer类蛋白DCL3、DCL2和DCL4中具有三重突变的dcl234，它们能够产生RdDM的小RNA。Alpha多样性分析表明，从土壤到根的微生物丰富度降低，反映出植物对根系相关细菌的选择性。dcl234三重突变显著降低了Aeromonadaceae和Pseudomonadaceae的水平，同时增加了根系微生物群落中许多其他细菌家族的丰度。但是，在典型的RdDM途径中其他的关键参与者的突变体显示出与Col-0类似的菌群，表明DCL蛋白以一种与RdDM无关的方式影响根系菌群。随后，通过测序对根系微生物组进行基因分析，结果表明dcl234突变体对植物防御的微生物抗性存在选择性压力。与改变的植物-微生物相互作用一致，dcl234显示出改变的特征，包括共同显示改变的细胞壁组织和上调防御力的mRNA和sRNA转录组，减少了木质部中纤维素和胼胝质沉积以及改变了根系分泌物的结构，这些都支持了基因表达和细胞壁修饰的改变。

图1. 拟南芥根相关菌群在dcl234突变体中发生改变

图2. mRNA的全基因组分布图突出显示了dcl234改变的生物过程，这对于植物与微生物的相互作用很重要

图3. dcl234突变体不仅显示各种sRNA的减少而且还异位积累，并且表明了植物-微生物相互作用发生改变

图4. dcl234突变体显示根木质部中纤维素和胼胝质的沉积减少

图5. dcl234三重突变对根系菌群的影响的潜在作用机理

 结论

本研究的结果表明，DCL蛋白通过对植物防御、细胞壁成分和根系分泌物的综合调控，在影响根系微生物中发挥重要作用。此外结果还表明，典型的RdDM对于拟南芥根系微生物群落是必不可少的。这些发现不仅建立了根际微生物群落与植物表观遗传因子之间的联系，而且突出了植物调节根系微生物群落的复杂性。

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