大家好，本周给大家分享的是一篇2021年10月8日发表在The Plant Cell上基于时间尺度的GWAS解析黑暗诱导植物衰老及植物适应黑暗机制的文章。
文章题目： Genome-wide association of the metabolic shifts underpinning dark-induced senescence in Arabidopsis (GWAS解析暗诱导衰老过程中拟南芥的代谢变化)
期刊： The Plant Cell
影响因子： 2020_IF = 11.277; 中科大类: 生物 1区; 中科小类: 生化与分子生物学 2区, 细胞生物学 2区, 植物科学 1区; JCR分区: Q1
发文单位：中国华中农业大学和德国马克斯·普朗克分子植物生理学研究所等8家单位。
文章作者：华中农业大学Feng Zhu 为第一作者，华中农业大学程运江教授和德国马普所Alisdair R. Fernie 为共同通讯作者。
摘要：黑暗诱导的衰老引起代谢变化，从而保证养分循环和植物生存。目前对这些过程的研究主要集中在表征某一途径缺陷的突变体。本文作者采用一种基于时间分辨的全基因组关联方法，通过在黑暗处理开始时或在黑暗中3或6天后评估光化学效率和初级代谢产物和脂质代谢产物的含量来表征黑暗诱导的衰老。作者发现了六种代谢变化模式，并确定了215个关联位点，包括81个候选基因。同时作者验证了与甘氨酸、半乳糖醇、苏氨酸和鸟氨酸水平相关的四个基因的作用。作者还证明了苏氨酸和半乳糖醇分解代谢在黑暗诱导衰老过程中的作用。有趣的是，作者确定酪氨酸含量和酪氨酸转氨酶1（TAT1）之间的关联分别影响编码蛋白质的酶活性和基因在正常和黑暗条件下的转录活性。这些结果帮助作者针对暗诱导衰老的代谢以及衰老本身提出了一个详细的模型。
主要结果：
1、半乳醇、海藻糖和甘氨酸水平的遗传调控
mGWAS已被证明是一种鉴定参与不同途径相关基因的有效方法, 然而一些代谢物途径仅在特定条件下才能激活，因此从正常条件下收集的GWAS数据中无法识别其潜在的遗传变异。该研究采用了时间分辨率的GWAS方法，通过评估黑暗处理0、3或6天的光化学效率、初级和脂质代谢物的含量来表征黑暗诱导的衰老。半乳醇可水解为肌醇和半乳糖，在黑暗中作为可替代的底物提供能源，本研究中利用GWAS结果确定了3d和6d数据集中与半乳糖醇水平相关的SNP，其lead SNP为Chr5:14542999（图1A）, 位于At5g36890上，编码b-葡萄糖苷酶42（BGLU42），该基因参与糖分解代谢。作者发现bglu42- 1 和 bglu42-3株系诱导了BGLU42的表达，bglu42-2降低了BGLU42的表达（图1B-C）。与Col-0对照组相比，bglu42-1和bglu42-3株系表现出较低的半乳醇水平，而bglu42-2系积累了更多的半乳醇。类似地，bglu42-1和bglu42-3株系显示出比Col-0更高的Chl含量和Fv/Fm，而bglu42-2突变株显示出相反的模式（图1C-E），这些结果表明半乳醇分解代谢可能是植物在黑暗中生存的一个额外的碳源，BGLU42可能是这一过程中的一个必需基因。另外作者发现了一个与3号染色体上甘氨酸水平相关的SNP（图1F），发现lead SNP Chr3:20314932位于At3g54830（AVT1B）上，编码一种氨基酸液泡跨膜转运蛋白。与正常条件下生长的Col-0植物相比，avt1b-1 和avt1b-2突变体中的甘氨酸含量显著降低（图1G-H）, 另外两个SNP导致了氨基酸变化（图1I），发现与T等位基因连锁的单倍型可以在黑暗开始后增加AVT1B的表达（图1J）。
图1. 在延长黑暗条件下，BGLU42和AVT1B的变异影响半乳醇和甘氨酸的含量。(A)基于1.2 M SNP集与3d下半乳糖醇水平关联的LD图。每个灰色条块代表一个基因，每个圆点代表一个SNP。(B-E) 延长黑暗条件下bglu42-1、bglu42-2和bglu42-3突变体的表型。(B) 黑暗诱导的衰老表型。(C) Col-0、bglu42-1、bglu42-2和bglu42-3突变体幼苗中BGLU42的相对表达水平。Col-0、bglu42-1、bglu42-2和bglu42-3突变体的半乳醇含量(D)和(E)叶绿素含量。(F)基于甘氨酸水平的6d数据集与1.2 M SNP集的LD图。(G, H) avt1b-1和avt1b-2突变体的表型。(I) 1001拟南芥基因组数据库中AVT1B基因区域周围SNP的LD图。 (J) 随机选择的材料的甘氨酸含量（左）和相对AVT1B表达水平（右）。
2、鸟氨酸水平的遗传调控
作者在5号染色体上发现一个与鸟氨酸水平相关的位点，位于At5g65640的5'非翻译区（UTR），编码转录因子bHLH93（图2A），同时选择了位于染色体5上的4-kb窗口内的三种转录调节因子bHLH093、GTE7和IAA9，分析它们对鸟氨酸含量变化的影响。同时作者使用RNA-i技术验证实验（图2B-D），得出GTE7在黑暗胁迫下受到抑制，影响与鸟氨酸代谢相关基因的表达，并在延长的黑暗条件下可以诱导鸟氨酸含量的变化。
图2. GTE7与延长黑暗条件下鸟氨酸变异之间的关联。(A) 基于与鸟氨酸水平相关的3d数据集中1.2 M SNP集的LD图。(B-E) 延长黑暗条件下GTE7 RNAi-1和RNAi-2系的表型及相关基因表达。
3、酪氨酸和苏氨酸水平的遗传调节
在早期黑暗处理期间，酪氨酸、赖氨酸和苏氨酸等氨基酸的含量迅速增加，随着黑暗时间延长，这些代谢物通过自身降解可为植物生存提供能量。为了证实实验分析的准确性，作者重点研究了与酪氨酸和苏氨酸水平相关的两个基因座，以阐明它们的详细遗传调控。GWAS结果表明，酪氨酸是黑暗诱导衰老过程中的关键代谢产物，暗处理数据集的lead SNP为Chr5:21909782，而0d数据集的lead SNP为Chr5:21911088，分别位于TAT1（At5g53970）的启动子和第一个内含子中（图3A）。为了分析TAT1的功能，作者测量了两个独立的功能缺失T-DNA插入株系tat1-1和tat1-2的酪氨酸水平（图3B-D），两个突变体中低Chl含量进一步表明TAT1参与酪氨酸分解代谢并帮助植物在黑暗中生存（图3D）。在lead SNP附近的29个SNP中，5个SNP改变了TAT1蛋白序列（图3E）。对于Chr5:21909782，在进入黑暗的第3天和第6天，与具有A等位基因的材料相比，具有G等位基因的材料积累了较低的酪氨酸含量，并表现出较高的TAT1表达；对于Chr5:21911088，仅在正常条件下，携带A等位基因的材料的酪氨酸含量低于携带G等位基因的材料，并且在任何时间点都没有改变TAT1的表达（图3F，G）。对这些不同TAT1蛋白质的酶动力学分析表明，A等位基因TAT1-A显示出比G等位基因TAT1-G更高的酪氨酸降解活性（图3H）。这些结果表明在正常和黑暗条件下，TAT1和酪氨酸水平的调节至少有两种不同的机制。同时作者也发现苏氨酸在暗环境处理后，伴随着TAT1表达的增加，苏氨酸的水平也会降低。
图3. TAT1在正常和延长黑暗条件下影响拟南芥材料中酪氨酸含量的不同遗传机制。(A) 基于1.2M SNP数据集的LD图，用0 d和3 d酪氨酸含量进行关联。(B-D) 延长黑暗环境下tat1-1和tat1-2突变体的表型。(E) 1001拟南芥基因组数据库中根据TAT1区域周围的SNP绘制LD图。(F,G) 随机选取的材料的酪氨酸含量（F）和相对TAT1表达水平(G)。 (H) 基于SNP-Chr5:21911088（TAT1A和TAT1G）的两种TAT1蛋白的酶活性。Col-0 TAT1 cDNA携带A等位基因，作为阳性对照克隆。
4、光照和暗照条件下拟南芥初级代谢和脂质代谢的遗传机制
黑暗处理的主要影响是植物光合作用停止，从自养状态转变为异养状态，导致蛋白质、脂类和糖类的降解和循环，保证植物生存（图4A），鉴于糖酵解和TCA循环是植物在黑暗中为生存提供能量的最重要途径，在相关酶的遗传调节下，不同的可替代的呼吸底物可降解为不同代谢产物，以支持这两条途径（如丙酮酸、乙酰辅酶A、2-酮戊二酸和富马酸）（图4B）。本研究中，作者总共确定了六种代谢物变化模式。
图4.在光照和暗照条件下拟南芥初级代谢和脂质代谢的遗传机制。（A）在光照下，酪氨酸水平的变化归因于五种氨基酸变化导致的TAT1酶活性的变化。（B）糖酵解和TCA循环是在长期黑暗胁迫下为植物生存提供能量的最重要途径。
该研究共鉴定了六种代谢变化模式，并确定了参与黑暗诱导衰老过程的215种关联和81个候选基因，总之本文通过时间尺度的GWAS对Fv/Fm、叶绿素、初级代谢物和脂质代谢物含量分析，揭示了黑暗诱导衰老的遗传机制。
文中所有图片均来自Genome-wide association of the metabolic shifts underpinning dark-induced senescence in Arabidopsis
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文章链接地址：https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab251/6384588
参考文献：
Feng Zhu, Saleh Alseekh, Kaan Koper, Hao Tong, Zoran Nikoloski, Thomas Naake, Haijun Liu, Jianbing Yan, Yariv Brotman, Weiwei Wen, Hiroshi Maeda, Yunjiang Cheng, Alisdair R Fernie, Genome-wide association of the metabolic shifts underpinning dark-induced senescence in Arabidopsis, The Plant Cell, 2021; koab251, https://doi.org/10.1093/plcell/koab251