轉(zhuǎn)錄因子PpNAC1和DNA去甲基酶PpDML1協(xié)同調(diào)控桃果實(shí)成熟

2023年11月22日，浙江大學(xué)張波教授課題組研究成果，發(fā)表在Plant Physiology期刊上（影響因子7.4），文章題目為Transcription factor PpNAC1 and DNA demethylase PpDML1 synergistically regulate peach fruit ripening。該研究使用了DNA親和純化測(cè)序（DAP-seq）技術(shù)鑒定了PpNAC1轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合基序和靶基因。研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子PpNAC1和DNA去甲基酶PpDML1協(xié)同調(diào)節(jié)桃果實(shí)中乙烯合成、果肉軟化和風(fēng)味形成的分子機(jī)制。
 

果實(shí)成熟伴隨著顏色、質(zhì)地和風(fēng)味的巨大變化，并受到轉(zhuǎn)錄因子(TFs)和表觀遺傳因子的調(diào)控。植物特有的NAC轉(zhuǎn)錄因子（TF）家族對(duì)果實(shí)成熟過(guò)程的調(diào)控發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但在桃果實(shí)成熟過(guò)程中的調(diào)控機(jī)制并不清楚。

研究發(fā)現(xiàn)， PpNAC1可直接激活多個(gè)果實(shí)成熟相關(guān)基因的表達(dá)，在番茄(Solanum lycopersicum) nor (non-ripening)突變體中的過(guò)表達(dá)PpNAC1可恢復(fù)果實(shí)的成熟，在桃果實(shí)中的瞬時(shí)過(guò)表達(dá)PpNAC1可誘導(dǎo)相關(guān)靶基因的表達(dá)。PpNAC1及其靶基因轉(zhuǎn)錄水平的增強(qiáng)與成熟過(guò)程中啟動(dòng)子mCG甲基化的降低有關(guān)。DNA甲基化下降與DNA去甲基化酶1 (PpDML1) 轉(zhuǎn)錄增加呈負(fù)相關(guān)，PpNAC1可識(shí)別和激活DNA去甲基化酶1啟動(dòng)子。這些結(jié)果表明，PpNAC1和PpDML1之間的正反饋回路直接調(diào)控了桃成熟和品質(zhì)形成所需的多個(gè)基因的表達(dá)。

1.桃果實(shí)成熟過(guò)程中乙烯釋放、質(zhì)地和風(fēng)味的變化

在桃子果實(shí)成熟的S3到S5階段，乙烯合成的數(shù)量增加了約100倍，通過(guò)硬度下降來(lái)衡量軟化程度顯著降低。同時(shí)，有機(jī)酸的含量顯著減少，總含糖量隨著果實(shí)成熟而增加。在早期階段，C6醛和醇含量減少，而揮發(fā)性酯和內(nèi)酯含量增加，果實(shí)呈現(xiàn)出“果香”和“桃香”氣味。外源乙烯處理加速了果實(shí)軟化，促進(jìn)了酯類和內(nèi)酯類的合成，而1-MCP作為乙烯感知和作用的特異性抑制劑，則抑制了果實(shí)軟化和揮發(fā)物的合成。

2.NAC家族成員PpNAC1與桃果實(shí)成熟有關(guān)

桃子中含有115個(gè)NAC成員，系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，其中有9個(gè)成員與其他已知與成熟相關(guān)的NAC聚集在一起，包括PpNAC1和PpNAC2。RNA-seq分析表明，PpNAC1的轉(zhuǎn)錄水平在果實(shí)成熟期間逐漸增加，并在成熟后保持在高水平，而PpNAC4和PpNAC5的轉(zhuǎn)錄水平卻相反。其他NAC成員的豐度相對(duì)較低。與對(duì)照和1-MCP處理相比，外源乙烯處理顯著增加了PpNAC1的轉(zhuǎn)錄水平。

根據(jù)MADS-RIN在番茄中的重要調(diào)控作用，分析了MADS家族成員在桃中的轉(zhuǎn)錄水平。其中有10個(gè)成員與MADS-RIN同源，其中4個(gè)成員轉(zhuǎn)錄水平較高，但與桃子成熟過(guò)程中乙烯的產(chǎn)生呈負(fù)相關(guān)，其他6個(gè)成員幾乎不表達(dá)。因此，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)和作者之前的研究，最終選擇PpNAC1作為候選TF，探索桃果實(shí)成熟的調(diào)控機(jī)制。

圖1. 桃果實(shí)成熟過(guò)程中乙烯釋放量、果實(shí)硬度、糖、酸和揮發(fā)物以及NAC成員轉(zhuǎn)錄水平的變化。

作者通過(guò)DNA親和純化測(cè)序（DAP-seq）技術(shù)鑒定了PpNAC1的靶基因，通過(guò)兩次技術(shù)重復(fù)在基因組上共獲得了9238個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，PpNAC1的結(jié)合位點(diǎn)主要位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）上游的500bp區(qū)域，24.3%（2245個(gè)基因）的PpNAC1結(jié)合位點(diǎn)位于的啟動(dòng)子區(qū)（TSS上游2kb）。DAP-seq結(jié)果中的MEME分析顯示，ACG（T/C）（A/C）是PpNAC1的結(jié)合位點(diǎn)。在獼猴桃和香蕉的其他NAC轉(zhuǎn)錄因子中也觀察到了相同的結(jié)合基序。這些結(jié)果表明果實(shí)中NAC的結(jié)合基序是保守的。GO富集分析結(jié)果顯示，啟動(dòng)子與PpNAC1結(jié)合的基因參與了果實(shí)的有機(jī)酸、蔗糖代謝等初級(jí)代謝過(guò)程，苯丙烷代謝、內(nèi)酯代謝等次級(jí)代謝過(guò)程，激素代謝及反應(yīng)，還與果實(shí)發(fā)育及防御反應(yīng)過(guò)程有關(guān)。

為進(jìn)一步篩選PpNAC1調(diào)控的桃子成熟過(guò)程中與果實(shí)品質(zhì)相關(guān)的候選靶基因，結(jié)合RNA-seq數(shù)據(jù)，檢測(cè)到了2245個(gè)NAC結(jié)合位點(diǎn)基因。隨后，進(jìn)行WGCNA和共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)一步挖掘PpNAC1靶基因PpACS1，PpACO1，PpPME1，PpPL1，PpPG1，PpSAD1，PpFAD3-1等。
 

圖2. 通過(guò)DAP-seq和RNA-seq對(duì)PpNAC1結(jié)合位點(diǎn)和靶基因進(jìn)行全基因組分析。

通過(guò)雙熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)（DLR）驗(yàn)證了PpNAC1對(duì)相關(guān)潛在基因靶點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄激活作用，并展示了DAP-seq結(jié)果中PpNAC1與相關(guān)基因的結(jié)合峰。通過(guò)EMSA結(jié)果證實(shí)，PpNAC1可以在PpACS1、PpACO1，PpPL1，PpFAD3-1, PpAAT1和PpTST1的啟動(dòng)子區(qū)與NACBS結(jié)合。這些結(jié)果表明，在果實(shí)成熟過(guò)程中，PpNAC1通過(guò)激活相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，在乙烯合成和果實(shí)軟化過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。此外，這些結(jié)果還證明了DAP-seq在鑒定TF調(diào)節(jié)的靶基因方面的重要價(jià)值。
 

圖3. PpNAC1通過(guò)激活乙烯合成和果膠代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)調(diào)控果實(shí)的成熟和軟化。

圖4. PpNAC1通過(guò)激活VOCs合成和糖運(yùn)輸相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)調(diào)節(jié)水果風(fēng)味。 

利用桃愈傷組織和轉(zhuǎn)基因番茄中的過(guò)表達(dá)來(lái)驗(yàn)證PpNAC1對(duì)果實(shí)成熟、軟化和風(fēng)味形成的調(diào)節(jié)作用。在桃愈傷組織中過(guò)表達(dá)PpNAC1促進(jìn)了上述參與乙烯合成、果膠降解和揮發(fā)物合成過(guò)程的靶基因轉(zhuǎn)錄。在nor番茄突變體中過(guò)表達(dá)PpNAC1也基本可以恢復(fù)番茄nor突變體的乙烯合成和其他基因的表達(dá)缺陷，并促進(jìn)果實(shí)成熟。
 

圖5. PpNAC1在桃愈傷組織中的瞬時(shí)過(guò)表達(dá)
和在番茄中的穩(wěn)定過(guò)表達(dá)均促進(jìn)了果實(shí)成熟和風(fēng)味發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)。

DNA甲基化是一種研究較為深入的表觀遺傳修飾，在調(diào)控果實(shí)成熟過(guò)程中發(fā)揮重要作用，也是導(dǎo)致表型變異的重要遺傳因子。全基因組甲基化測(cè)序（WGBS）分析顯示，啟動(dòng)子區(qū)域mCG甲基化水平與成熟相關(guān)基因表達(dá)水平之間存在顯著的負(fù)相關(guān)。
 

圖6. 與果實(shí)成熟和風(fēng)味形成相關(guān)的基因的全基因組甲基化譜和啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平。

在番茄nor突變體果實(shí)中過(guò)表達(dá)PpNAC1促進(jìn)了SlDML2的表達(dá)，此外，在桃愈傷組織中過(guò)表達(dá)PpNAC1可促進(jìn)PpDML1的表達(dá)。DLR和EMSA檢測(cè)證實(shí)PpNAC1可以直接與PpDML1啟動(dòng)子結(jié)合激活其轉(zhuǎn)錄。隨著果實(shí)成熟，PpNAC1啟動(dòng)子區(qū)域的mCG甲基化水平下降，并與其轉(zhuǎn)錄水平呈負(fù)相關(guān)(r = -0.88)，其轉(zhuǎn)錄可能受到PpDML1介導(dǎo)的甲基化調(diào)控。

這些結(jié)果表明，桃子中PpNAC1和PpDML1之間存在一個(gè)正反饋回路，協(xié)同調(diào)控果實(shí)成熟�；�于本研究的結(jié)果，作者構(gòu)建了PpNAC1和PpDML1在果實(shí)成熟過(guò)程中的調(diào)控模型。

圖7. 桃果實(shí)成熟過(guò)程中PpNAC1和PpDML1在DNA去甲基化和成熟基因表達(dá)中的作用。

乙烯響應(yīng)TFs和DNA甲基化在果實(shí)成熟和風(fēng)味品質(zhì)的調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。本研究表明，PpNAC1通過(guò)靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和表觀遺傳因子（如DNA甲基化）來(lái)調(diào)控果實(shí)成熟和風(fēng)味品質(zhì)。了解調(diào)控水果成熟和質(zhì)量的表觀遺傳機(jī)制將為作物育種提供新的方向，并對(duì)改善水果質(zhì)地和風(fēng)味具有重大價(jià)值，對(duì)由于人口增長(zhǎng)和飲食變化而不斷增長(zhǎng)的全球糧食需求提供幫助。