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

2023年11月22日，浙江大學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親和純化測序（DAP-seq）技術鑒定了PpNAC1轉(zhuǎn)錄因子的結合基序和靶基因。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)桃果實中乙烯合成、果肉軟化和風味形成的分子機制。

果實成熟伴隨著顏色、質(zhì)地和風味的巨大變化，并受到轉(zhuǎn)錄因子(TFs)和表觀遺傳因子的調(diào)控。植物的NAC轉(zhuǎn)錄因子（TF）家族對果實成熟過程的調(diào)控發(fā)揮著關鍵作用，但在桃果實成熟過程中的調(diào)控機制并不清楚。

研究發(fā)現(xiàn)， PpNAC1可直接激活多個果實成熟相關基因的表達，在番茄(Solanum lycopersicum) nor (non-ripening)突變體中的過表達PpNAC1可恢復果實的成熟，在桃果實中的瞬時過表達PpNAC1可誘導相關靶基因的表達。PpNAC1及其靶基因轉(zhuǎn)錄水平的增強與成熟過程中啟動子mCG甲基化的降低有關。DNA甲基化下降與DNA去甲基化酶1 (PpDML1) 轉(zhuǎn)錄增加呈負相關，PpNAC1可識別和激活DNA去甲基化酶1啟動子。這些結果表明，PpNAC1和PpDML1之間的正反饋回路直接調(diào)控了桃成熟和品質(zhì)形成所需的多個基因的表達。

1.桃果實成熟過程中乙烯釋放、質(zhì)地和風味的變化

在桃子果實成熟的S3到S5階段，乙烯合成的數(shù)量增加了約100倍，通過硬度下降來衡量軟化程度顯著降低。同時，有機酸的含量顯著減少，總含糖量隨著果實成熟而增加。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，果實呈現(xiàn)出“果香"和“桃香"氣味。外源乙烯處理加速了果實軟化，促進了酯類和內(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，則抑制了果實軟化和揮發(fā)物的合成。

2.NAC家族成員PpNAC1與桃果實成熟有關

桃子中含有115個NAC成員，系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，其中有9個成員與其他已知與成熟相關的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成員的豐度相對較低。與對照和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個成員與MADS-RIN同源，其中4個成員轉(zhuǎn)錄水平較高，但與桃子成熟過程中乙烯的產(chǎn)生呈負相關，其他6個成員幾乎不表達。因此，結合本實驗和作者之前的研究，最終選擇PpNAC1作為候選TF，探索桃果實成熟的調(diào)控機制。

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

3.結合DAP-seq和RNA-seq鑒定PpNAC1的靶基因

作者通過DNA親和純化測序（DAP-seq）技術鑒定了PpNAC1的靶基因，通過兩次技術重復在基因組上共獲得了9238個結合位點，PpNAC1的結合位點主要位于轉(zhuǎn)錄起始位點（TSS）上游的500bp區(qū)域，24.3%（2245個基因）的PpNAC1結合位點位于的啟動子區(qū)（TSS上游2kb）。DAP-seq結果中的MEME分析顯示，ACG（T/C）（A/C）是PpNAC1的結合位點。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合基序。這些結果表明果實中NAC的結合基序是保守的。GO富集分析結果顯示，啟動子與PpNAC1結合的基因參與了果實的有機酸、蔗糖代謝等初級代謝過程，苯丙烷代謝、內(nèi)酯代謝等次級代謝過程，激素代謝及反應，還與果實發(fā)育及防御反應過程有關。

為進一步篩選PpNAC1調(diào)控的桃子成熟過程中與果實品質(zhì)相關的候選靶基因，結合RNA-seq數(shù)據(jù)，檢測到了2245個NAC結合位點基因。隨后，進行WGCNA和共表達網(wǎng)絡分析進一步挖掘PpNAC1靶基因PpACS1，PpACO1，PpPME1，PpPL1，PpPG1，PpSAD1，PpFAD3-1等。

圖2. 通過DAP-seq和RNA-seq對PpNAC1結合位點和靶基因進行全基因組分析。

 4.PpNAC1調(diào)節(jié)靶基因的驗證

通過雙熒光素酶報告實驗（DLR）驗證了PpNAC1對相關潛在基因靶點的轉(zhuǎn)錄激活作用，并展示了DAP-seq結果中PpNAC1與相關基因的結合峰。通過EMSA結果證實，PpNAC1可以在PpACS1、PpACO1，PpPL1，PpFAD3-1, PpAAT1和PpTST1的啟動子區(qū)與NACBS結合。這些結果表明，在果實成熟過程中，PpNAC1通過激活相關基因的轉(zhuǎn)錄，在乙烯合成和果實軟化過程中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。此外，這些結果還證明了DAP-seq在鑒定TF調(diào)節(jié)的靶基因方面的重要價值。

圖3. PpNAC1通過激活乙烯合成和果膠代謝相關基因的轉(zhuǎn)錄來調(diào)控果實的成熟和軟化。

圖4. PpNAC1通過激活VOCs合成和糖運輸相關基因的轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)水果風味。 

5.PpNAC1調(diào)控桃和轉(zhuǎn)基因番茄的果實軟化和風味

利用桃愈傷組織和轉(zhuǎn)基因番茄中的過表達來驗證PpNAC1對果實成熟、軟化和風味形成的調(diào)節(jié)作用。在桃愈傷組織中過表達PpNAC1促進了上述參與乙烯合成、果膠降解和揮發(fā)物合成過程的靶基因轉(zhuǎn)錄。在nor番茄突變體中過表達PpNAC1也基本可以恢復番茄nor突變體的乙烯合成和其他基因的表達缺陷，并促進果實成熟。

圖5. PpNAC1在桃愈傷組織中的瞬時過表達和在番茄中的穩(wěn)定過表達均促進了果實成熟和風味發(fā)育相關基因的表達。

6.       PpNAC1靶基因啟動子區(qū)的DNA甲基化水平與果實成熟過程中的轉(zhuǎn)錄水平呈負相關

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

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

7.PpNAC1和DNA甲基化與桃果實成熟和風味形成有關

在番茄nor突變體果實中過表達PpNAC1促進了SlDML2的表達，此外，在桃愈傷組織中過表達PpNAC1可促進PpDML1的表達。DLR和EMSA檢測證實PpNAC1可以直接與PpDML1啟動子結合激活其轉(zhuǎn)錄。隨著果實成熟，PpNAC1啟動子區(qū)域的mCG甲基化水平下降，并與其轉(zhuǎn)錄水平呈負相關(r = -0.88)，其轉(zhuǎn)錄可能受到PpDML1介導的甲基化調(diào)控。

這些結果表明，桃子中PpNAC1和PpDML1之間存在一個正反饋回路，協(xié)同調(diào)控果實成熟。基于本研究的結果，作者構建了PpNAC1和PpDML1在果實成熟過程中的調(diào)控模型。

圖7. 桃果實成熟過程中PpNAC1和PpDML1在DNA去甲基化和成熟基因表達中的作用。

文章小結：

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