安徽农大牛庆丰组和南方科大郎曌博揭示DNA甲基化在园艺作物上的功能及研究进展论文

2023年8月29日，安徽农业大学牛庆丰教授团队和南方科技大学郎曌博教授共同撰写并在Horticulture Research（2023 IF=8.7）杂志在线发表了题为 “DNA cytosine methylation dynamics and functional roles in horticultural crops”的热点综述论文。

DNA甲基化（DNA methylation）是一种非常重要的表观遗传修饰。其对基因表达调控、染色体的稳定性、基因以及转座子的活性以及遗传印记等起着关键的调控作用。胞嘧啶甲基化（5mC）于1925年在细菌中被首次发现。起初胞嘧啶甲基化的生物学功能并不是很明确。从20世纪80年代开始，胞嘧啶甲基化的重要功能才逐渐被阐述。到目前为止，在动植物上，胞嘧啶甲基化的建立、维持和去除的分子机制已经得到了广泛的阐明。并且通过大量的单碱基分辨率的甲基化测定和分析，成功绘制了动植物发育、疾病以及遗传进化等精细的甲基化图谱。这对胞嘧啶全基因组甲基化动态变化以及特定位点精细调控的作用机制和遗传基础的阐明提供了研究基础。该论文总结了植物中DNA甲基化和去甲基化的分子机制，并探讨了胞嘧啶甲基化调控基因转录的潜在分子机制。论文进一步详细总结了园艺作物上植株生长发育、衰老、株高、器官大小、器官再生以及生物和非生物胁迫下DNA甲基化的动态变化及其调控机制。该论文为理解胞嘧啶甲基化分子形成以及调控机制以及在园艺作物育种、遗传改良、研究、创新和开发新品种的相关性提供了理论基础。

DNA甲基化作为一种保守的表观遗传修饰，在园艺植物生长和发育过程中的各种组织和细胞中发挥着至关重要的作用。论文总结了胞嘧啶甲基化的建立、维持和去除的分子机制（图 2A）。DNA胞嘧啶甲基化在基因转录调控中发挥重要作用。相较于基因组较小的拟南芥，基因组较大的园艺作物中存在大量基因启动子被甲基化的现象。启动子上的高甲基化通常会抑制基因转录活性。例如，在番茄Cnr突变体中，RIN的结合受到结合位点甲基化状态的影响，表明胞嘧啶甲基化可通过调控启动子活性来调控基因转录。近年来，研究表明，基因可依据其对甲基化的敏感性分为：甲基化结合因子（MBDs、SUVH、SUVR等），先锋因子（LEAFY等）以及甲基化敏感因子。当然，DNA甲基化也可通过跟组蛋白相互作用来影响周围染色质的开放度来影响基因的转录活性（图2B）。

在园艺作物的生命周期中，果实的发育和成熟是园艺植物生长发育的一个重要阶段，同时也是果实营养品质和风味品质形成的关键过程。DNA胞嘧啶甲基化在果实的发育和成熟中扮演着重要角色。全基因组甲基化水平的动态变化控制了相关基因的的表达，进而影响了果实的生长、糖分积累、果实采后贮藏以及风味物质的产生等过程。DNA胞嘧啶甲基化不仅在果实生长发育过程中发挥了重要的作用，在园艺植物的生殖发育以及授粉受精过程中也起着重要作用。最近在桃上研究也表明DNA甲基化参与园艺作物的愈伤组织形成和芽再生。这一生物学过程在拟南芥等模式植物中同样被发现受到DNA甲基化的调控。动物可以主动、自发地避开不利环境，而植物不能离开自己的栖息地，因此，经常遭受自然生物和非生物胁迫。当植物遭遇非生物胁迫（如干旱、高温、盐胁迫）和生物胁迫等条件，DNA甲基化可以通过动态改变来影响相关基因的转录活性，从而实现植物在逆境条件下的生长和生存。

DNA甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，在甲基化酶和去甲基化酶的调节下维持植物的动态甲基化平衡。论文通过讨论和总结胞嘧啶甲基化在园艺作物生长发育、器官再生、生物胁迫和非生物胁迫中的最新研究进展和分子调控机制。并讨论了DNA甲基化在园艺作物上研究的应用前景和研究的问题和挑战，希望对园艺作物DNA甲基化的研究提供一些研究总结和研究思路。

安徽农业大学牛庆丰课题组的博士研究生刘培培为本文的第一作者，上海交通大学刘瑞娥博士为本文的共同第一作者。安徽农业大学牛庆丰教授和南方科技大学郎曌博教授为论文共同通讯作者。（论文链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhad170 ）

转自：“iPlants”微信公众号

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