Mol Plant | 我室徐秋涛教授课题组与安徽农大及宁夏大学等联合揭示组蛋白2-羟基异丁酰化修饰促进基因表达并调控水稻抗病性

2024年12月6日，广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室徐秋涛教授课题组与安徽农业大学陈晓洋教授课题组及宁夏大学、华中农业大学等多家单位联合在Molecular Plant上发表题为Histone H4K8hib modification promotes gene expression and regulates rice immunity的研究论文。该研究鉴定了水稻组蛋白特定位点的新型酰基化修饰—2-羟基异丁酰化(H4K8hib)修饰图谱，揭示H4K8hib修饰可作为一种激活型的染色质标志并促进基因表达参与水稻抗病性。

组蛋白上存在多种翻译后修饰，如甲基化、乙酰化、泛素化等，其中组蛋白甲基化和乙酰化是最早发现且研究最为广泛和深入的两种修饰。组蛋白特异位点的甲基化或乙酰化修饰作为基因表达激活或抑制的染色质标志，通过影响基因转录来调控植物的生长发育以及对环境因子的响应。近年来随着蛋白组质谱技术的飞速发展，多种新型酰基化修饰如丙酰化、琥珀酰化、巴豆酰化、丙二酰化、2-羟基异丁酰化、乳酰化等被鉴定 (Li et al., 2018; Lu et al., 2018; Zheng et al., 2021)。然而对于大多数新型酰基化修饰的功能目前尚不清楚，特别是组蛋白特异位点的酰基化修饰功能及其调控的生物学过程知之甚少。

该研究中，作者首先分别用赖氨酸2-羟基异丁酰化(Khib) 抗体和一个组蛋白特异位点的H4K8hib抗体鉴定到水稻、拟南芥、玉米和甘蔗中普遍存在2-羟基异丁酰化修饰，说明这种修饰是植物中高度保守的一类蛋白质翻译后修饰。随后作者通过染色质免疫共沉淀测序 (ChIP-seq) 技术鉴定了水稻全基因组范围的组蛋白H4K8hib修饰图谱，分析发现该修饰主要分布在非转座子基因上，且主要富集在基因的转录起始区，该分布特点与组蛋白激活型染色质标志非常相似。进一步分析H4K8hib修饰与组蛋白特定位点的甲基化和乙酰化修饰之间的相关性，结果显示这种修饰与组蛋白激活型染色质标志呈正相关，特别是H4K8ac乙酰化修饰。结合转录组分析发现全基因组上存在H4K8hib修饰的基因的表达水平显著高于不含该修饰的基因，表明这种组蛋白酰基化修饰与基因表达激活相关。

图1. 组蛋白H4K8hib修饰激活基因表达

接着作者对调控水稻H4K8hib修饰的组蛋白去酰基化酶进行鉴定，发现组蛋白去乙酰化酶HDA705能够高效的去除该修饰。利用水稻hda705突变体进行H4K8hib修饰ChIP-seq分析，发现该突变体中近3000个基因的H4K8hib修饰水平显著升高，其中包括许多病原菌响应相关基因。作者同时发现在受到水稻病原菌如稻曲菌、稻瘟菌等侵染后，水稻中的H4K8hib修饰水平明显增加。作者之前的研究发现突变HDA705能够增强水稻的抗病性，而从该研究结果推测hda705突变可能是通过促进H4K8hib修饰和相关基因的表达，从而增强了水稻的抗病性。为了验证这一推论，作者结合hda705突变体的ChIP-seq和转录组数据进行分析，发现许多调控水稻抗病性相关基因如IPA1、WRKY24、LOX5等基因上均有H4K8hib修饰，而hda705突变导致这些基因上的H4K8hib修饰水平升高，且表达水平也显著上调。进一步利用hda705lox5双突变体接种稻曲菌进行分析，结果表明突变LOX5能够降低hda705的抗病性。

图2. H4K8hib修饰通过促进抗病相关基因表达调控水稻抗病性的模式图

综上，该研究揭示了水稻组蛋白新型酰基化修饰H4K8hib可通过促进抗病相关基因的表达调控水稻抗病性。该研究对于揭示新型酰基化修饰的生物学功能和促进水稻抗病育种具有重要的参考意义。

广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室徐秋涛教授和宁夏大学农学院马瑄博士为该文章的共同第一作者，安徽农业大学植物保护学院陈晓洋教授和广西大学徐秋涛教授为共同通讯作者。广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室张积森教授、华中农业大学黄俊斌教授、陈小林教授、郑露副教授、陈正庭博士等参与了该项研究工作。特别感谢华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室水稻团队周道绣教授和赵毓教授在本研究中给与的指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金和广西大学高层次人才计划项目的资助。