5mC DNA甲基化應(yīng)用：介導茶樹組織功能分化和重要風味物質(zhì)合成調(diào)控

在植物中，5mC DNA甲基化修飾（簡稱5mC甲基化）是一個重要而保守的表觀基因標記，參與基因組穩(wěn)定性、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、發(fā)育調(diào)控、非生物脅迫響應(yīng)、代謝物合成等多種調(diào)控。茶樹（Camellia sinensis(L.)O.Kuntze）是一種缺乏成熟遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的非模式作物，迄今為止，對這種重要飲料植物的表觀遺傳學維度的研究很少。5mC甲基化在茶樹生長發(fā)育（采前加工）以及采前和采后加工中風味物質(zhì)合成中的作用尚不清楚。
 
2023年08月01日，中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)基因組所孔維龍為第一作者和通訊作者、中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)基因組所張興坦研究員為共同通訊作者在《Hortic. Res.》雜志在線發(fā)表了題為“5mC DNA methylation modification-mediated regulation in tissue functional differentiation and important flavor substance synthesis of tea plant (Camellia sinensis L.)”的研究論文，該研究利用全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）和對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組測序分析等實驗揭示了5mC DNA甲基化修飾介導的茶樹組織功能分化和重要風味物質(zhì)合成調(diào)控機制。
標題：5mC DNA methylation modification-mediated regulation in tissue functional differentiation and important flavor substance synthesis of tea plant (Camellia sinensis L.)（5mC DNA甲基化修飾介導的茶樹組織功能分化和重要風味物質(zhì)合成調(diào)控）
發(fā)表期刊：Horticulture Research      
發(fā)表日期：2023年08月01日    
影響因子：IF 8.7/ 1區(qū)
技術(shù)：全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）、RNA-seq、代謝組等

樣品及方法：
以國家品種“鐵觀音”烏龍茶為材料，采葉標準為一芽二葉或三葉。所有新鮮的葉子都在下午4點左右采摘（新鮮樣本）。收獲后的鮮葉先在陽光下萎凋35分鐘，然后轉(zhuǎn)移到室內(nèi)萎凋15分鐘（萎凋處理樣本）。萎凋后，用搖床以25 r/min對茶葉進行三次搖動（搖動處理樣本）。隨機采集100g樣品作為新鮮、萎凋和搖動的三個處理樣品，每個處理設(shè)置三個獨立的生物學重復。共收集9個樣本進行代謝組、RNA-seq和WGBS-seq測序。
 
摘要
本研究應(yīng)用無偏好性的全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）對烏龍茶采摘后加工過程中的四個關(guān)鍵采前組織（根、葉、花和果）和兩個加工葉片進行了全面的DNA甲基化分析。分析結(jié)果表明，四個關(guān)鍵組織之間的差異性5mC甲基化與組織功能分化密切相關(guān)，并且與非組織特異性表達基因相比，負責組織特異性功能的組織特異性基因維持相對較低的5mC甲基水平。根中CsAlaDC和TS/GS基因的低甲基化修飾為根中茶氨酸（theanine）的顯性合成提供了分子基礎(chǔ)。此外，對采集后葉片的5mC DNA甲基化組學、代謝組學和轉(zhuǎn)錄組學的綜合分析表明，烏龍茶加工過程中風味代謝物含量變化與相應(yīng)代謝物合成基因的轉(zhuǎn)錄水平變化密切相關(guān)，且這些重要合成基因的轉(zhuǎn)錄水平變化受5mC甲基化嚴格調(diào)控。進一步研究結(jié)果表明，加工過程中的一些關(guān)鍵基因受5mC甲基化調(diào)控，促進α-法尼烯（α-Farnesene）、橙花叔醇（nerolidol ）、脂質(zhì)（lipids）和茶多酚（catechins）等味覺物質(zhì)的重要香氣代謝物含量變化。本研究結(jié)果不僅闡明了5mC甲基化在采前和采后加工中重要風味物質(zhì)合成中的關(guān)鍵作用，還為未來茶葉品質(zhì)的改善或全組織高茶氨酸品種的選育提供了表觀突變相關(guān)基因靶點。
 
研究結(jié)果：
（1）5mC甲基化在茶樹采前組織功能分化中起重要調(diào)控作用
圖1：茶樹的四個關(guān)鍵采前組織中不同5mC甲基化水平
（A）不同組織的WGBS-seq數(shù)據(jù)的Pearson相關(guān)系數(shù)熱圖。
（B）組織中CHH、CHG和CG的甲基化水平。
（C）組織特異性表達基因數(shù)量。
（D）組織特異性和非組織特異性表達基因5mC甲基化水平差異。
（E）根組織特異性低甲基化基因的GO注釋。
 
 
 
（2）5mC甲基化參與調(diào)控茶樹根系中顯性茶氨酸合成和非生物脅迫響應(yīng)


圖2：5mC甲基化參與調(diào)控茶樹根系中顯性茶氨酸合成和非生物脅迫響應(yīng)。
（A） 茶氨酸合成的關(guān)鍵底物和基因。
（B） CsAlaDC和TS/GS基因在四種茶樹組織中的表達水平。
（C） 四種茶樹組織中CsAlaDC和TS/GS基因的甲基化水平。
（D） CsAlaDC和TS/GS基因在四種茶樹組織中的相對表達水平。
（E） 保守CHH高甲基化基因和低甲基化基因的GO注釋。
 

（3）烏龍茶采后加工過程中應(yīng)激引起的代謝物變化
圖3：烏龍茶采后加工過程中代謝物的變化。
（A） 1377種次生代謝物的分類。
（B） UPLC–MS/MS檢測非揮發(fā)性代謝物含量的相關(guān)結(jié)果。
（C） GC–MS檢測揮發(fā)性代謝物含量的相關(guān)性結(jié)果。
（D） 三個加工處理點所有代謝物的總含量變化。
（E） 三個加工處理點不同類別代謝物含量的變化。
（F） 各加工點新出現(xiàn)的代謝物。


（4）烏龍茶采后加工過程中差異代謝物及差異表達基因的鑒定

圖4：烏龍茶采后加工中的差異代謝物（DMs）和差異表達基因（DEGs）。
（A） 不同加工處理點之間的次生代謝物差異。
（B） 所有差異次生代謝物的K-均值聚類。
（C） 各子類的詞云圖（Word cloud map）。
（D） 主要香氣物質(zhì)含量變化熱圖。
（E） 重要茶多酚含量變化熱圖。
（F） 不同處理點之間的DEG數(shù)量。
（G） DEG的KEGG富集通路。
C：新鮮茶葉；W：萎凋處理茶葉；T：搖動處理茶葉。
 

（5）烏龍茶采后加工中的單堿基分辨5mC甲基化模式
圖5：烏龍茶三個重要加工處理點的單堿基分辨5mC DNA甲基化圖譜。
（A） 基因密度（a）、轉(zhuǎn)座子密度（b）、GC含量（c）、CG、CHH和CHG 5mC甲基化水平（d-f）和基因表達水平（g）的Circos圖。在d–g中，從外到內(nèi)依次為：新鮮茶葉、萎凋處理茶葉和搖動處理茶葉。
（B） 烏龍茶三個重要加工處理點的DNA甲基化水平。
（C） 烏龍茶三個加工處理點的甲基化胞嘧啶數(shù)量。
（D） 每個加工點5mC甲基化水平分類。
（E） 三個不同加工點的基因和轉(zhuǎn)座子甲基化水平。
C和D中：C1–C3，新鮮茶葉；W1–W3，萎凋處理茶葉；T1–T3，搖動處理茶葉。


（6）5mC甲基化參與采后加工中風味物質(zhì)相關(guān)基因表達的表觀調(diào)控
圖6：烏龍茶加工過程中DMR和DMR介導的DEG。
（A） DMR的數(shù)量。
（B） DMR在基因組中的位置分布。
（C） DMR介導的DEG數(shù)量。
（D） DMR介導的與重要風味物質(zhì)相關(guān)的DEG基因表達水平熱圖。
（E） 橙花叔醇合成酶（NES）基因的WGBS-seq（CHH）和RNA-seq數(shù)據(jù)的IGV（Integrative Genomics Viewer）可視化。（F） WGBS-seq（CHH）的IGV可視化和4-coumaroyl-CoA (CsTGY13G0000351)基因的RNA-seq數(shù)據(jù)。


參考文獻：
Kong W, Zhu Q, Zhang Q, Zhu Y, Yang J, Chai K, Lei W, Jiang M, Zhang S, Lin J, Zhang X. 5mC DNA methylation modification-mediated regulation in tissue functional differentiation and important flavor substance synthesis of tea plant (Camellia sinensis L.). Hortic Res. 2023 Aug;10(8):uhad126.