New Phytologist | 华中农业大学张帆课题组联合揭示DNA甲基化调控康乃馨花衰老的分子机制

责编 | 王一

近日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室、国家柑橘保鲜技术研发专业中心、华中农业大学花卉研究所和农业农村部华中都市农业重点实验室张帆教授课题组联合云南省农业科学院花卉研究所、云南种子种业联合实验室王继华院长团队和南京农业大学宋庆鑫教授课题组在New Phytologist发表了题为“DNA methylation remodeled amino acids biosynthesis regulates flower senescence in carnation (Dianthus caryophyllus)”的研究论文，揭示了DNA去甲基化酶DcROS1通过影响氨基酸生物合成途径来调控康乃馨花衰老过程的机制。

花卉是极其重要的园艺作物，在满足人们的精神需求、服务乡村振兴和美丽中国建设以及巩固拓展脱贫攻坚成果中发挥着越来越关键的作用。康乃馨（Carnation）学名为香石竹（Dianthus caryophyllus L.），是世界四大鲜切花和我国最重要的鲜切花之一，具有极高的观赏价值和经济价值。康乃馨同时也是一种典型的乙烯敏感性切花，被认为是研究乙烯调控鲜切花采后衰老，特别是花瓣衰老的模式植物。张帆教授课题组前期研究系统阐明了乙烯在转录水平、转录后水平和翻译后水平调控康乃馨花瓣衰老的分子机制 （王妍等, 园艺学报, 2022; Xu et al, Plant Journal, 2021; Xu et al, Journal of Experimental Botany, 2022; Wang et al, Postharvest Biology and Technology, 2024; Wang et al, Plant Journal, 2023; Zhu et al, Plant Journal, 2023; Sun et al, Plant Biotechnology Journal, 2023） ，近期研究也首次揭示了表观遗传修饰如组蛋白甲基化修饰调控康乃馨花瓣衰老的分子机理 （Feng et al, Plant Physiology, 2023） ，但对于其他表观遗传修饰是否及如何调控康乃馨花衰老仍知之甚少。

为了分析其他表观遗传修饰如DNA甲基化修饰是否调控康乃馨花衰老，研究人员选取处于盛花期、乙烯处理24h和完全衰老期的康乃馨花瓣进行全基因组重亚硫酸盐测序。结果显示，基因启动子区域的CHH甲基化修饰在乙烯处理和完全衰老的康乃馨花瓣中明显提升（图1）。这说明，DNA甲基化修饰水平在康乃馨花衰老过程中显著增加。

图1. DNA甲基化修饰水平在康乃馨花衰老过程中显著增加

进一步研究发现，DNA甲基化修饰水平增加的区域主要位于代谢过程相关基因的启动子上，其中包含两个关键的氨基酸生物合成酶基因：精氨酸生物合成酶基因DcCARA和分支氨基酸生物合成酶基因DcDHAD，它们的表达量在乙烯处理和完全衰老的康乃馨花瓣中明显减少。通过VIGS技术瞬时沉默DcCARA和DcDHAD能够明显加速康乃馨花瓣的衰老进程，同时精氨酸和分支氨基酸的含量显著下降。体外施加精氨酸和分支氨基酸能够明显恢复DcCARA和DcDHAD沉默所导致的康乃馨花瓣衰老加速的表型（图2）。这些结果表明，氨基酸生物合成酶DcCARA和DcDHAD在调控康乃馨花衰老过程中行使着重要的功能。

图2. 沉默DcCARA和DcDHAD能够加速康乃馨花瓣的衰老进程

为了进一步探讨DNA甲基化修饰调控康乃馨花衰老的分子机制，研究人员分析了DNA甲基化修饰关键酶基因的表达模式，从中筛选到在乙烯处理和完全衰老的康乃馨花瓣中表达量显著下降的DNA去甲基化酶基因DcROS1。瞬时沉默DcROS1能够明显加速康乃馨花瓣的衰老进程，同时DcCARA和DcDHAD启动子区域的DNA甲基化修饰水平显著升高，表达量则明显减少；瞬时过量表达DcROS1能够明显延缓康乃馨花瓣的衰老进程，同时DcCARA和DcDHAD启动子区域的DNA甲基化修饰水平显著降低，表达量则明显增加（图3）。DcROS1沉默植株中精氨酸和分支氨基酸的含量显著下降，体外施加精氨酸和分支氨基酸也能够明显恢复DcROS1沉默所导致的康乃馨花瓣衰老加速的表型。这些结果说明，DNA去甲基化酶DcROS1通过影响氨基酸生物合成途径调控康乃馨花衰老过程。研究同时发现，精氨酸和分支氨基酸的含量在乙烯处理和自然衰老的康乃馨花瓣中均显著下降，而体外施加精氨酸和分支氨基酸均能够明显延缓乙烯处理和自然衰老的康乃馨花瓣衰老进程。这表明，精氨酸和分支氨基酸可以开发成为一种延缓康乃馨花衰老的潜在保鲜剂成分。

图3. 沉默和过量表达DcROS1能够分别加速和延缓康乃馨花瓣的衰老进程

综上所述，该研究阐明了DNA甲基化修饰调控康乃馨花衰老的分子机制（图4），进一步拓展了人们对于康乃馨花衰老分子调控网络的认识。这为创制有效、快速、便捷、经济且绿色环保的康乃馨切花保鲜剂奠定了关键的理论基础，并为培育货架期和瓶插期延长的康乃馨新品种提供了重要的基因资源，同时对其它观赏花卉和鲜切花的采后保鲜也具有重要的理论价值和实践意义。

图4. DNA甲基化修饰调控康乃馨花衰老的工作模型

华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室张帆教授、云南省农业科学院花卉研究所王继华院长和南京农业大学宋庆鑫教授为论文共同通讯作者，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士后冯珊、黄志恒（已出站）、南京农业大学蒋欣羽博士和云南省农业科学院花卉研究所李帆副研究员为论文共同第一作者，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室程运江教授、包满珠教授、云南省农业科学院花卉研究所李绅崇研究员和美国德克萨斯大学奥斯汀分校Hong Qiao教授参与了本研究。该研究得到了武汉市知识创新专项基础研究项目、中央高校基本科研业务费专项基金、湖北省自然科学基金、华中农业大学中央高校优秀青年团队培育项目和果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室自主培育重点项目等的资助。

参考文献：

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张帆教授课题组长期从事鲜切花采后衰老的分子机制研究。近三年以通讯作者在New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Plant Physiology、Plant Journal（3篇）、Journal of Experimental Botany、Postharvest Biology and Technology等主流学术期刊上发表研究论文多篇。课题组现诚聘博士后，详情请见：

http://rsc.hzau.edu.cn/info/1028/2141.htm

论文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19499