植物所秦国政组揭示DNA去甲基化酶SlDML2调控番茄果实抗病性的作用机制

新鲜水果含有丰富的营养，是膳食结构的重要组成部分。果实在成熟阶段容易受到病原真菌侵染，发生腐烂变质和产后损失。揭示内源基因调控果实抗病性的作用机制，对于通过生物育种的方式提升果实抗性、保障果实品质具有重要指导意义。果实成熟与抗病反应是两个紧密相关的生物学过程，决定着果实品质的形成与维持。然后，成熟过程与抗病反应之间的关联机制仍不清楚。近日，中国科学院植物研究所秦国政研究组在国际知名期刊Plant Biotechnology Journal上发表了题为“The pivotal ripening gene SlDML2 participates in regulating disease resistance in tomato”的研究论文，揭示了果实中关键成熟调控基因SlDML2可促进防御相关基因SlβCA3和SlFAD3的表达，从而正调控番茄果实抗病性的分子机制。

灰霉菌（Botrytis cinerea）是典型的腐生型病原真菌，侵染能力强，主要寄主包括番茄、草莓、葡萄等，在世界范围内造成了巨大损失。本研究通过CRISPR/Cas9技术构建了SlDML2的纯合突变体。灰霉菌接种实验显示，绿熟期和红熟期果实中，sldml2突变体对灰霉菌的抗性较野生型显著减弱（图1），表明SlDML2能够正向调控番茄果实对灰霉菌的抗性。另外，与野生型相比，除了果实成熟进程明显迟缓之外，sldml2突变体的叶片较小、种子发芽率较低，并且呈现出多花性状，表明SlDML2也参与调控番茄的发育过程。这些研究结果证实SlDML2具有“一因多效”特性。

SlDML2编码DNA去甲基化酶，已有研究显示SlDML2能够通过DNA去甲基化作用调节果实成熟相关基因的表达，从而促进番茄果实成熟。在本研究中，研究人员对灰霉菌侵染后的番茄果实进行了RNA-seq测序分析，发现sldml2突变体中差异表达的基因富集在多个与真菌防御相关的聚类中，并且显著关联到植病互作路径，表明SlDML2广泛靶向病害防御相关基因。结合已报道的SlDML2相关DNA甲基组数据，研究人员鉴定到两个可能受SlDML2调控的防御相关基因，分别为β型碳酸酐酶基因SlβCA3和ω-3脂肪酸去饱和酶基因SlFAD3。当SlDML2突变后，它们的转录水平显著下调，伴随着内含子或启动子区域DNA甲基化水平的升高，形成差异性DNA甲基化区域（DMR）。在烟草体系中超量表达SlβCA3或SlFAD3可明显抑制灰霉菌侵染，表明SlβCA3和SlFAD3正调控灰霉菌抗性。

图1. sldml2突变体果实对灰霉菌的抗性较野生型显著减弱

随后，研究人员采用ChIP-qPCR、McrBC-PCR、转录活性测定等技术证实SlDML2蛋白能够结合SlβCA3和SlFAD3的DMR，减弱它们的DNA甲基化水平，进而促进它们的转录。在sldml2突变体叶片中沉默SlβCA3或SlFAD3能够进一步减弱灰霉菌抗性，而超表达SlβCA3或SlFAD3则可恢复sldml2突变体对灰霉菌的抗性（图2），这些结果表明SlDML2可能与SlβCA3或SlFAD3处于同一个遗传路径中，共同调控番茄对灰霉菌的抗性。此外，灰霉菌侵染使得果实发病区域周围成熟进程明显延迟，同时伴随着SlDML2调控的成熟基因的下调，以及SlβCA3和SlFAD3的上调。

图2. SlβCA3和SlFAD3瞬时沉默或超表达影响sldml2突变体的灰霉菌抗性

综上所述，该研究证实果实成熟关键调控基因SlDML2通过DNA去甲基化作用促进防御相关基因的表达，从而正调控番茄果实对灰霉菌的抗性（图3）。SlDML2介导的DNA去甲基化可能是调节果实成熟与防御反应之间内在平衡的一种重要机制。本研究为SlDML2在番茄果实抗性和品质改良中的应用提供了新的见解和理论基础。

图3. SlDML2调控番茄果实对灰霉菌抗性模式图

中国科学院植物研究所特别研究助理周磊磊为本文的第一作者，秦国政研究员为通讯作者。中国科学院植物研究所田世平研究员、王威浩副研究员、博士生李晓静和高广通也参与了该项工作。研究得到国家自然科学基金杰出青年基金、博士后面上项目（2022M723371）和山东省重点研发项目（2022TZXD0023）资助。

原文链接：

http://doi.org/10.1111/pbi.14130

转自：“iPlants”微信公众号

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