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昆明植物所在DNA甲基化通過NAC72調(diào)控?zé)煵萆飰A的生物合成研究中取得進(jìn)展
DNA甲基化是一種保守的表觀修飾，它可以調(diào)控很多基因的表達(dá)。已有研究表明，DNA甲基化參與次生代謝的生物合成調(diào)控，但是證據(jù)大多來自DNA甲基化抑制劑的處理。目前研究中缺乏DNA甲基化調(diào)控次生代謝物的遺傳證據(jù)和具體的調(diào)控機制。
尼古丁是煙草屬植物中含量最豐富的生物堿，在抵御植食性昆蟲方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前在栽培煙草(Nicotiana tabacum)的相關(guān)研究中已鑒定出多個正調(diào)控尼古丁合成的轉(zhuǎn)錄因子，如NtMYC2、NtERF189、NtERF199和NtMYB305a。與之相反，關(guān)于尼古丁合成負(fù)調(diào)控因子的報道則較少。因此，發(fā)現(xiàn)新的負(fù)調(diào)控因子不僅對于理解植物如何抵御植食性昆蟲至關(guān)重要，對于通過突變培育尼古丁含量可控的煙草品種也具有重要價值。
中國科學(xué)院昆明植物研究所植物次生代謝分子調(diào)控專題研究組此前的研究表明，二倍體野生煙草(N. attenuata)中多數(shù)根特異性表達(dá)的尼古丁相關(guān)基因共享“DNA甲基化谷”特征(Tong et al., 2025)。但目前尚缺乏DNA甲基化調(diào)控尼古丁的系統(tǒng)研究。
因此，該研究首先探究了DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用，發(fā)現(xiàn)沉默不同DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因?qū)δ峁哦『铣上嚓P(guān)基因表達(dá)影響不同，其中NaDRM2-like2沉默后關(guān)鍵酶基因NaPMTs及調(diào)控基因NaERF1-like表達(dá)顯著降低。進(jìn)而通過CRISPR/Cas9構(gòu)建的NaDRM2-like2突變體表現(xiàn)出尼古丁合成相關(guān)基因(NaPMTs、NaA622和NaERF1-like等)表達(dá)下調(diào)、葉片中尼古丁含量減少及對廣食性害蟲斜紋夜蛾(Spodoptera littoralis)更敏感的表型。
為揭示突變體尼古丁減少的原因，該研究通過全基因組重亞硫酸氫鹽測序(WGBS)和RNA測序，在14個差異甲基化的轉(zhuǎn)錄因子與72個差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子中篩選到一個共有基因——NaNAC72。在突變體中其啟動子甲基化升高，同時表達(dá)量升高3倍以上。共表達(dá)分析顯示，NaNAC72與根特異性表達(dá)的尼古丁相關(guān)基因呈強負(fù)相關(guān)。
進(jìn)一步功能驗證顯示，CRISPR/Cas9敲除NaNAC72可使葉片中尼古丁含量增加35%～42%，而過表達(dá)NaNAC72則抑制尼古丁合成相關(guān)基因表達(dá)并降低葉片尼古丁含量。凝膠阻滯實驗與染色質(zhì)免疫沉淀實驗證實NaNAC72可直接結(jié)合尼古丁關(guān)鍵合成酶基因NaPMT1.1及關(guān)鍵調(diào)控基因NaERF1-like的啟動子，抑制其轉(zhuǎn)錄活性。
綜上，該研究得出結(jié)論：DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因的沉默會影響尼古丁相關(guān)基因表達(dá);NaNAC72是尼古丁生物合成的新負(fù)調(diào)控因子。該發(fā)現(xiàn)為解析防御代謝物的表觀遺傳調(diào)控機制及培育尼古丁含量可控的煙草品種提供了新視角與靶點。
相關(guān)研究成果以Transcriptional Activation of NaNAC72 Suppresses Nicotine Biosynthesis in DNA Methyltransferase NaDRM2-like2 Mutants of Nicotiana attenuata為題，在Plant Biotechnology Journal在線發(fā)表。中國科學(xué)院昆明植物研究所博士研究生佟阿慧為論文第一作者，吳勁松研究員和王蕾研究員為論文共同通訊作者，云南煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)院王丙武副研究員，已畢業(yè)碩士研究生李榮平和云南民族大學(xué)客座碩士研究生茶學(xué)局參與此項研究。研究得到了云南基礎(chǔ)研究重大計劃(編號202401BC070015)等項目支持。
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