浙江大学研究团队揭示转录因子和DNA甲基化协同调控桃果实成熟的分子机制

果实成熟是一个复杂的生物学进程，伴随着颜色、质地和风味的剧烈变化，受到植物激素、转录因子（TFs）和表观遗传因子等调控。桃（Prunus persica）是蔷薇科呼吸跃变型果实，在世界范围广泛种植。NAC转录因子和DNA甲基化具有调控果实成熟的作用，但在桃果实成熟过程中的调控效应及上述两个调控因子的关系并不清楚。

近日，浙江大学果实品质生物学团队张波教授在Plant Physiology发表了题为“Transcription factor PpNAC1 and DNA demethylase PpDML1 synergistically regulate peach fruit ripening”的研究论文，揭示了转录因子PpNAC1和DNA去甲基化酶PpDML1协同调控桃果实成熟及风味品质形成的分子机制。

研究利用DNA亲和纯化测序（DAP-seq）结合转录激活试验，证明PpNAC1可以直接结合并激活一系列成熟相关基因表达，包括乙烯合成相关的ACC合成酶（PpACS1）和ACC氧化酶（PpACO1），细胞壁修饰相关的果胶甲酯酶(PpPME1)、果胶裂解酶 (PpPL1) 和多聚半乳糖醛酸酶 (PpPG1)，以及参与芳香物质合成的脂肪酶 (PpLIP1)、脂肪酸去饱和酶 (PpFAD3-1) 和醇酰基转移酶(PpAAT1)（图1）。在番茄nor突变体中过量表达PpNAC1可恢复果实成熟表型，在桃果实中瞬时过量表达PpNAC1也可以显著诱导上述靶基因表达，表明PpNAC1正向调控桃果实成熟过程的乙烯合成、质地软化及风味物质合成。

图1 PpNAC1调控桃果实成熟过程中乙烯合成和软化相关基因表达

全基因组亚硫酸盐测序 (WGBS) 结果显示，桃果实成熟过程中全基因组DNA甲基化水平呈现下降趋势，以mCG甲基化变化最为明显。PpNAC1及其靶基因转录水平的增加与其启动子区域DNA甲基化水平降低有关。DNA甲基化水平的下降与DNA去甲基化酶PpDML1表达水平的增加呈负相关（图2）。

图2 全基因组DNA甲基化水平及成熟相关基因启动子区域DNA甲基化水平变化

综上，该研究发现PpNAC1可以直接结合PpDML1的启动子并激活其表达，进而影响其自身和下游成熟相关基因的DNA甲基化水平。转录因子PpNAC1和DNA去甲基化酶PpDML1协同调控桃果实成熟和风味品质形成（图3）。

图3 PpNAC1与PpDML1协同调控桃果实成熟的作用模式图

张波教授为该论文通讯作者，博士后曹香梅（现为浙江农林大学副教授）为论文第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目、111计划和中央高校科研基金的支持。

近年来，张波教授围绕果实成熟和芳香品质调控，从转录调控和表观遗传调控层面开展一系列研究，相关成果发表在PNAS、New Phytologist、Plant Physiology、The Plant Journal、Plant Biotechnology Journal和Horticulture Research等期刊。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad627