综述：植物中的RNA修饰与表观遗传调控

这篇综述系统阐述了植物中RNA修饰（特别是m6A）的动态调控机制及其与表观遗传（包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑）的相互作用。文章重点探讨了染色质相关RNA（caRNAs）作为关键桥梁，通过其化学修饰（如m6A, m5C）调控染色质状态和基因表达的新范式，为解码植物发育和环境适应的分子基础提供了新视角，并对作物改良具有重要启示。

在植物生物学领域，RNA化学修饰和表观遗传调控作为基因表达的关键调控层，近年来受到了广泛关注。特别是N⁶-甲基腺苷（m⁶A）等修饰，已被证明在真核生物中动态调控RNA代谢、染色质动力学和基因表达。

1. 引言

RNA修饰，如m⁶A，由写入蛋白（如METTL3-METTL14复合物）、擦除蛋白（如FTO、ALKBH5）和阅读蛋白（如YTH结构域蛋白）动态调控。在植物中，同源通路同样存在：MTA、MTB和FIP37构成甲基转移酶复合物的核心，而ALKBH9B和ALKBH10B作为去甲基化酶，在开花和应激响应中发挥作用。YTH结构域蛋白，如ECT1-8和CPSF30-L，作为m⁶A阅读器，贡献于发育、免疫和植物激素信号传导。

植物表观遗传调控包含DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑的复杂相互作用。与动物不同，植物DNA甲基化不仅发生在CG背景下，也发生在CHG和CHH背景下，分别由MET1、CMT2/3和DRM2维持，并通过RNA导向的DNA甲基化（RdDM）途径从头建立。组蛋白修饰剂，如SET域蛋白和Jumonji（JMJ）去甲基化酶，通过组蛋白H3K4和H3K27甲基化动态调控发育时序、开花和应激响应。染色质重塑剂，如DDM1和SWI/SNF复合物，促进核小体重定位和表观遗传沉默。

染色质相关RNA（caRNAs），包括长链非编码RNA（lncRNAs）、R环和小RNA，在植物表观遗传调控中扮演重要角色。lncRNAs通过招募Polycomb复合物或DNA甲基化机制到特定位点，在春化等发育过程和环境响应中发挥作用。R环可帮助建立不同的染色质环境，动态调控基因表达。小干扰RNA（siRNAs）通过RdDM途径指导DNA从头甲基化，加强转座子和重复序列的转录沉默。

动物系统中的近期研究表明，caRNAs上的化学修饰可以主动塑造染色质状态和转录活性。例如，METTL3在caRNAs上安装的m⁶A可被YTHDC1识别，从而招募核外泌体降解这些转录本并降低染色质可及性。相反，FTO介导的m⁶A去甲基化可稳定caRNAs并阻止特定位点的异染色质形成。此外，m⁶A阅读蛋白还可以招募DNA去甲基化酶TET1，从而将caRNAs上的RNA甲基化与活跃的DNA去甲基化和染色质重塑联系起来。caRNAs上的5-甲基胞嘧啶（m⁵C）可被MBD6识别，后者与PR-DUB复合物相互作用以维持转录。这些发现凸显了RNA修饰作为caRNAs与表观基因组之间相互作用的关键调控层。

2. 植物中的RNA修饰

迄今为止，大多数植物RNA修饰研究集中在mRNA的m⁶A上，主要研究方向包括：研究不同发育阶段和各种环境胁迫条件下植物mRNA m⁶A水平的动态变化及其对基因表达和植物生理的影响；阐明mRNA m⁶A相关酶的功能；探索mRNA m⁶A修饰与其他表观遗传机制之间的相互作用；以及开发用于高分辨率检测mRNA m⁶A的先进技术。

2.1. 植物mRNA中m⁶A水平的动态

在mRNA中，m⁶A主要富集在3'非翻译区和终止密码子附近，这种分布模式在植物中基本保守。在拟南芥和水稻中，大多数m⁶A位点高度富集在3' UTRs内，其次是编码序列和5' UTRs。值得注意的是，在拟南芥中，m⁶A的分布随发育阶段而变化。早期使用薄层色谱法的努力测量了植物中的m⁶A丰度，揭示了组织特异性差异。随后的转录组范围的m⁶A分析研究显示，拟南芥中相当大比例的表达基因被m⁶A修饰。一个全面的拟南芥m⁶A图谱最近使用MeRIP-seq across 100个样本生成，揭示了在终止密码子附近的一致富集。水稻中的比较分析也揭示了组织特异性的m⁶A修饰模式。最近的m⁶A-SAC-seq分析提供了水稻和拟南芥发育阶段的高分辨率m⁶A图谱，揭示了物种间保守和特异的m⁶A调控网络。在番茄中，果实成熟过程中观察到全局m⁶A水平显著下降。这些发现共同证明m⁶A是一种保守的、可逆的、动态调控的RNA修饰，在调节基因表达、植物发育和适应环境变化中发挥重要作用。

2.2. m⁶A相关效应蛋白

m⁶A在植物中跨发育阶段、组织类型和响应各种环境胁迫的动态性质是由效应蛋白协调的，包括甲基转移酶（写入器）、去甲基化酶（擦除器）和m⁶A识别蛋白（阅读器）。m⁶A的写入器是甲基转移酶复合物（MTC）。该复合物在动植物之间进化上保守。在拟南芥中，MTA和FIP37是胚胎发生所必需的。MTA、MTB和FIP37还与蓝光受体CRY2相互作用形成相分离凝聚物，从而以m⁶A依赖的方式调节昼夜节律。在水稻中，OsFIP和OsMTA2在生殖发育中起关键作用。在玉米中，ZmMTA功能障碍导致胚胎发生和胚乳发育严重停滞。MTA和MTB对于非呼吸跃变型果实草莓的正常成熟是必不可少的，通过调节脱落酸（ABA）信号通路调控此过程。

m⁶A写入器也有助于植物的非生物和生物胁迫响应。除了MTC复合物，METTL16同源物FIONA1在U6 snRNA和一小组mRNA上安装m⁶A，影响其在拟南芥中的丰度和加工。FIONA1介导的甲基化调节昼夜节律周期长度，并在光形态建成和花转变中通过调节开花关键调节因子如CO、SOC1、FLC、SPL3和SEP3的表达发挥重要作用。

活跃的m⁶A去甲基化是其动态可逆调控的基础。植物缺乏FTO同源物，但ALKBH样蛋白在植物中是保守的。值得注意的是，人类FTO在水稻和马铃薯中的异源表达导致全局m⁶A去甲基化，并增加生物量和产量。在拟南芥中，已鉴定出两个m⁶A去甲基化酶：AtALKBH9B和AtALKBH10B。AtALKBH9B在调节植物对病毒侵染的响应中起重要作用，并通过调节负调节因子如ABI1和BES1的m⁶A甲基化水平贡献于ABA信号传导。AtALKBH10B通过去甲基化开花整合基因的转录本来调节开花。在番茄中，去甲基化酶SlALKBH2靶向果实成熟关键调节因子SlDML2的mRNA，影响其稳定性，从而影响成熟过程。在西瓜中，ClALKBH4B去甲基化免疫相关转录本的m⁶A修饰并调节宿主对黄瓜绿斑驳花叶病毒的易感性。响应热胁迫，AtALKBH9B重新定位到应激颗粒（SGs）并去甲基化热诱导转录本，如反转录转座子Onsen，促进其从SGs释放和后续表达。AtALKBH10B表达受盐、渗透胁迫和胁迫相关植物激素诱导。alkbh10b突变体对NaCl、甘露醇、干旱胁迫和ABA处理过敏，表明AtALKBH9B在非生物胁迫耐受中起关键作用。相比之下，棉花和番茄中的ALKBH10B突变体表现出增强的耐旱性，表明ALKBH10B介导的m⁶A去甲基化在不同植物物种中对干旱响应具有相反效应。

在真核生物中，m⁶A信号由特定的阅读器蛋白解读。特征最明确的阅读器蛋白是YTH结构域包含家族蛋白，分为YTHDF样和YTHDC样亚组。在拟南芥中，被称为ECTs的YTHDF型蛋白在发育和胁迫响应中起主要作用。AtECT2、AtECT3和AtECT4稳定参与ABA信号传导的转录本，并贡献于叶和毛状体发育。AtECTs通过招募到SGs和处理小体来调节修饰转录本的命运。AtECT1促进水杨酸相关mRNAs的衰变，AtECT2在热胁迫下重新定位到SGs，AtECT8与DECAPPING5一起降解盐响应转录本并形成相分离凝聚物，介导参与ABA信号传导的m⁶A依赖性反馈环。AtECT2还结合并 destabilizes Pepino mosaic virus (PepMV) RNA以限制感染。

m⁶A阅读器在各种作物中执行多样化和专门化的角色。在水稻中，OsECT3是耐寒所必需的，并经历赖氨酸乙酰化，抑制其m⁶A结合活性。在番茄中，SlYTH2通过抑制翻译来抑制果实香气生物合成。在苹果中，MhYTP2结合MdMLO19 mRNA，增强对白粉病的抗性。在谷子中，SiYTH1通过调节气孔运动和ROS相关基因表达来调节耐旱性。此外，拟南芥基因组编码两个YTHDC型蛋白，AtECT12和CPSF30-L。AtECT12调节m⁶A修饰RNA转录本的稳定性，从而促进非生物胁迫响应。CPSF30-L独特地包含一个YTH结构域，并通过m⁶A结合和相分离控制选择性多聚腺苷酸化，从而调节开花和ABA响应。总之，YTH阅读器解读m⁶A信号，导致跨植物物种的特定发育、免疫和环境响应。

2.3. 植物中检测m⁶A的方法

迄今为止，大多数植物中转录组范围的m⁶A作图依赖于基于抗体的免疫沉淀 followed by sequencing (m⁶A-RIP-seq or MeRIP-seq)。虽然广泛使用，但该方法仅提供中等分辨率并且严重依赖抗体特异性。近年来，几种替代技术已成功应用于植物系统，提供了改进的灵敏度和特异性。

m⁶A-SEAL-seq通过FTO介导的氧化实现m⁶A的抗体游离化学标记，在水稻中提供高分辨率m⁶A图谱。m⁶A-REF-seq依赖于ChpBK或MazF内切核糖核酸酶对ACA基序的甲基化敏感性切割，已在杨树中得到验证。miCLIP通过UV诱导的抗体交联实现单核苷酸分辨率，并已用于验证植物m⁶A位点。Oxford Nanopore直接RNA测序（DRS）提供对天然RNA中m⁶A的富集游离检测，并已成功用于拟南芥、竹子、杨树和苹果。最近的发展如DENA，一个在野生型和m⁶A缺陷型拟南芥系上训练的深度学习模型，进一步提高了检测精度和异构体水平分辨率。m⁶A-SAC-seq是最近开发的一种化学标记策略，可在整个转录组中实现m⁶A的单碱基分辨率。该技术最近用于生成拟南芥和水稻各种组织的高分辨率m⁶A图谱。化学协同催化辅助的m6A测序（CAM-seq）进一步扩展了这个工具包，通过温和条件下选择性脱氨基未甲基化腺苷实现m⁶A的碱基分辨率鉴定；该技术已成功用于拟南芥。

总的来说，这些进展为探索植物m⁶A表观转录组提供了强大工具。随着单碱基分辨率作图变得更加容易获得，未来的研究可能会揭示m⁶A与植物发育、胁迫适应和表观遗传网络之间进一步的调控作用和机制联系。

2.4. 植物mRNA中的其他修饰

除了m⁶A，其他内部RNA修饰如N¹-甲基腺苷（m¹A）、m⁵C、N⁴-乙酰胞苷（ac⁴C）、假尿苷（Ψ）、8-羟基鸟苷（8-OHG）和8-硝基鸟苷（8-NO₂G）也已在植物中检测到。然而，这些RNA修饰的作用仍知之甚少。

在矮牵牛中，m¹A显示出组织和阶段特异性动态。转录组范围的分析在花冠中鉴定出近5,000个m¹A峰，跨越3,000多个基因，在起始密码子后的编码区富集。乙烯处理改变了m¹A景观，调节了许多靶转录本。m¹A甲基转移酶基因PhTRMT61A的沉默导致m¹A水平降低和发育异常，表明m¹A有助于器官发生和植物激素信号传导。

m⁵C-RIP-seq在拟南芥中鉴定出超过4,000个基因中的6,000多个m⁵C峰；这些峰在起始和终止密码子附近的编码区富集。这些修饰与显示低翻译效率的转录本相关。甲基转移酶TRM4B介导m⁵C沉积；其突变破坏mRNA稳定性和根发育。在水稻中，OsNSUN2在热胁迫期间催化m⁵C形成。OsNSUN2的缺失导致 lesion-mimic 表型和热敏感性增加。在热胁迫下，OsNSUN2促进编码光合作用和解毒相关酶的mRNAs上的m⁵C甲基化，增强其翻译。没有这种调控，胁迫响应受损，导致光系统不稳定和ROS积累。

拟南芥和水稻的转录组范围分析揭示了ac⁴C在翻译起始位点附近富集，在拟南芥中也在终止密码子附近富集。ac⁴C与mRNA稳定性、剪接多样性和翻译效率呈正相关，同时减少RNA二级结构的形成。在水稻稻瘟病菌侵染期间，ac⁴C水平增加，特别是在第三密码子位置，增强防御相关基因的翻译。最近的研究揭示了mRNA乙酰化在光合作用和开花中的重要作用。消除拟南芥和水稻中的RNA乙酰转移酶ACYR/NAT10降低了ac⁴C水平并抑制了关键光合转录本的翻译效率，从而破坏了LIGHT-HARVESTING COMPLEX (LHC)蛋白质稳态。

RNA修饰Ψ最近被证明在植物rRNA、tRNA和mRNA的翻译调控中发挥多层作用。转录组范围的Ψ分析显示，Ψ水平与翻译效率呈正相关，但与mRNA稳定性呈负相关。在水稻中，叶绿体rRNA上由OsPUS1催化的Ψ对于核糖体生物发生和耐寒性至关重要，因为OsPUS1的缺失导致低温下叶绿体发育受损。这些发现突出了Ψ在微调植物翻译输出和胁迫适应中的重要性。

氧化和硝化mRNA修饰在植物发育和免疫期间对转录后基因调控有贡献。8-OHG在正常发育转变期间在特定mRNAs上积累，包括向日葵和小麦的种子萌发，其中特定转录本的氧化降低了其编码蛋白质的丰度。mRNAs上8-OHG的形成也在植物胁迫下迅速发生，如大豆中的镉暴露和拟南芥中的线虫侵染。此外，硝化RNA修饰如8-NO₂-G在马铃薯病原体攻击期间在mRNAs上瞬时积累，并与过敏反应的激活相关。

总之，这些发现揭示了mRNA修饰，特别是m⁶A，在植物中的机制和功能。然而，这些修饰是否也存在于其他RNA类别上并起作用，以及RNA修饰如何与植物中的其他表观遗传机制协调，仍然未知。

2.5. rRNA和tRNA中的主要修饰

rRNA是真核生物中最保守的RNA物种之一，携带多种化学修饰，微调核糖体稳定性、生物发生和翻译输出。植物中的主要核糖体RNA，包括25S、18S、5.8S和5S rRNA，携带多样的修饰，如m⁶A、m⁵C、m¹A、Ψ、N7-甲基鸟苷（m⁷G）和几种2'-O-甲基化核苷酸。虽然植物mRNA中的m⁶A修饰已得到很好的表征，但其在rRNA中的作用仍 largely unexplored。最近的两项研究表明，拟南芥METTL5特异性催化18S rRNA位置A¹⁷⁷¹的m⁶A沉积，这种修饰对于核糖体组装和胁迫响应基因的翻译至关重要。Ψ在植物rRNA中也高度丰富。最近的 bisulfite-induced deletion sequencing 已生成水稻、玉米、拟南芥和大豆的单核苷酸分辨率Ψ图谱。这些研究表明，核编码的rRNA比叶绿体或线粒体编码的rRNA包含 substantially more Ψ位点。相当大比例的这些Ψ位点在物种间保守，Ψ化学计量存在强相关性。rRNA的Ψ在维持rRNA完整性和全局调节植物翻译效率中发挥多层作用。

tRNA及其RNA修饰通过塑造密码子特异性解码，作为翻译的关键调节因子，从而影响蛋白质合成的速率和效率。生物信息学分析结合水稻和拟南芥中的核苷丰度和基因表达谱分析表明，甲基化核苷Am、Cm、m¹A和m⁷G与胁迫响应密切相关，而Gm、m⁵U和m⁵C与发育过程更紧密相关。在水稻中，Am tRNA修饰在盐和ABA处理下增加；甲基转移酶OsTRM13负责催化这种修饰。OsTRM13增强植物的耐盐性。在拟南芥中，tRNA m⁵C甲基转移酶TRM4B的缺失降低了tRNA^Asp(GTC)的稳定性。trm4b突变体由于根尖分生组织细胞分裂受损而表现出比野生型更短的主根，并对氧化胁迫表现出 heightened sensitivity。

核定位的AtTRM61/AtTRM6复合物催化tRNA^iMet上腺苷58（A58）N¹的甲基化；任一亚基的缺失都废除了这种活性。 resulting decrease in tRNA m¹A导致胚胎停滞和种子败育，突出了这种修饰在维持tRNA^iMet稳定性中的重要作用。在最近一项关于拟南芥tRNA T-arm loop Ψ的研究中，检测到Ψ化学计量与相应密码子的翻译效率之间存在强正相关，在反密码子臂和D-arm loop中观察到类似但较弱的相关性。相比之下，tRNA茎区的Ψ水平与密码子的翻译效率没有显著关系，表明环定位的Ψ在调节蛋白质合成中起主要作用。

3. 植物中的表观遗传调控

3.1. 植物表观遗传调控机制概述：DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑

表观遗传调控涉及DNA甲基化、染色质重塑、RNA修饰、组蛋白修饰和组蛋白变体。其中，DNA甲基化，包括5-甲基胞嘧啶（5mC）和N⁶-甲基腺嘌呤（6mA），在植物和动物的转录调控和基因组稳定性中起关键作用。相比之下，5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC），动物中5mC的重要氧化衍生物，尚未在植物基因组中可靠检测到，其在植物中的存在或功能仍未确认。植物基因组在CG、CHG和CHH背景下显示5mC，其中CHH甲基化通过植物特异性RdDM途径从头重新建立。不同序列背景下的DNA甲基化维持由不同的甲基转移酶介导。CG甲基化由MET1维持，CHG甲基化依赖于CMT2和CMT3，CHH甲基化主要依赖于拟南芥和水稻中的DRM2或CMT2。拟南芥中的活跃DNA去甲基化由DNA糖基化酶如DME、ROS1、DML2和DML3执行，它们通过碱基切除修复去除5mC。在水稻中，DNG701/704和DNG702/703分别与DML2和ROS1同源，但未鉴定出DME同源物。除了5mC，6mA已成为植物中的胁迫响应表观遗传标记。植物ALKBH1 orthologs possess 6mA demethylase activity，特别是在单链DNA上。

组蛋白形成核小体的核心，经历多样的翻译后修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化，这些修饰调节染色质结构和基因活性。抑制性组蛋白标记如H3K9me3和H3K27me3在异染色质和沉默基因位点富集，而活性标记如H3K4me3、H3K27ac和H3K36me3存在于转录活跃位点。组蛋白赖氨酸甲基化主要由植物中的SET域组（SDG）蛋白催化。SDG蛋白分为SUVH/SUVR、E(z)-样、TRX样和ASH1样家族，靶向不同的组蛋白残基。Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2)，包含E(z)同源物，沉积H3K27me3并调节发育转变、春化以及对胁迫和植物激素的响应。组蛋白去甲基化由LSD和JMJ家族蛋白介导。在拟南芥中，JMJ11/12/13/30/32去除H3K27me3并响应环境线索调节开花时间。在水稻中，JMJ705去甲基化H3K27me3