前沿|张绍铃院士团队利用多组学联合分析的方法揭示DNA甲基化在梨果实代谢调控中的作用

2024-03-23 来源:园艺学院 作者:梨工程技术研究中心 图片:

3月14日,南京农业大学园艺学院张绍铃院士团队在国际基因组学顶级期刊Genome Biology发表了题为 “Multi-omics provide insights into the regulation of DNA methylation in pear fruit metabolism”的研究文章,利用多组学相结合的方法,揭示了DNA甲基化通过调节关键基因表达,进而参与调控梨果肉代谢过程,从而影响果实发育和成熟的分子路径。

目前研究人员对作物果实发育调控已经进行了广泛研究,但多年生果树的代谢调控网络仍然知之甚少。梨(Pyrus bretschneideri)作为全球广泛种植的果树,其果肉发育过程中DNA甲基化的作用机制尚不完全明了。该研究通过对11个不同发育阶段(从幼果到成熟)梨果肉组织的代谢组、蛋白质组、转录组、DNA甲基组和小RNA进行了全面分析,探究了梨果实发育过程中代谢产物与DNA甲基化的关系。这项研究不仅填补了多年生果树代谢调控网络研究的空白,而且为提高梨果实品质提供了新的思路。

图1.梨果实发育过程中DNA甲基化参与基因转录

文章比较了11个发育阶段的梨果肉组织,鉴定出449种在不同阶段差异积累的代谢物,主要包括植物激素、花青素、氨基酸及其衍生物、碳水化合物、黄酮醇、羟基肉桂酸衍生物、脂类、核苷酸及其衍生物等32个类别。通过与蛋白质组和转录组数据相整合,构建了一个涵盖439种代谢物和14399个基因的关联数据库,揭示了梨果肉代谢调控的分子网络。在此基础上,进一步探索了DNA甲基化与果实代谢的相关性,发现DNA甲基化程度随着果实发育进程逐步增加,且与多个代谢物的积累趋势相关,尤其是与促进果实成熟的脱落酸(ABA)含量密切联系。通过使用DNA甲基化抑制剂5’-脱氧胞苷(5’-Aza)处理发育期的梨果实,揭示了DNA甲基化抑制果皮叶绿素积累和果肉ABA、β-胡萝卜素及叶黄素积累的作用。此外,挖掘出一个新的锌指蛋白PbZFP1,该蛋白直接作用于ABA生物合成途径中的关键基因PbAAO启动子,调控其表达,进而促进ABA的合成。研究还发现,果肉发育过程中DNA去甲基化酶基因ROS1表达的下降是DNA甲基化水平不断提升的主要原因,表明梨果实发育过程DNA甲基化与去甲基化之间的动态平衡决定了DNA甲基化水平。

图2.梨果肉发育过程中DNA甲基化水平的提升由去甲基化酶基因ROS1表达量下降引起

本研究为理解多年生果树果实发育过程中的表观遗传调控提供了新见解。结果表明,DNA甲基化通过调控关键基因的表达,参与了梨果肉代谢的调控,尤其是在ABA生物合成路径中发挥重要作用。这些发现不仅增进了我们对梨果实发育调控机制的理解,也为进一步改善果实品质和延长储藏期提供了潜在的策略。

图3.梨果肉发育过程中代谢物、基因和DNA甲基化的调控模式图

南京农业大学园艺学院张绍铃院士、南方科技大学朗曌博教授为共同通讯作者,谷超研究员、裴茂松博士、郭志华博士、吴磊博士、齐开杰老师为该论文的共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划(2022YFD1003102),国家自然科学基金(31830081),江苏省‘揭榜挂帅’项目(JBGS[2021]084),国家现代农业产业技术体系建设项目(CARS-28)的支持。

审核:吴峰 赵烨烨

校对:王爽

编辑:权灵通

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