Horticulture Research | 广西大学农学院团队揭示柠檬果实发育过程中柠檬酸生物合成的表观遗传调控机制

近日，广西大学农学院王海峰教授（现崖州湾国家实验室）团队与黄桂香教授团队合作在Horticulture Research发表了题为The lemon genome and DNA methylome unveil epigenetic regulation of citric acid biosynthesis during fruit development的研究论文。该研究成功利用PacBio测序和Hi-C技术完成香水柠檬（Citrus limon (L.) Burm f.）的高质量参考基因组组装，利用WGBS测序技术构建了柠檬单碱基分辨率的DNA甲基组。在此基础上揭示了柠檬果实发育过程中DNA甲基化的动态变化，发现了DNA甲基化在控制柠檬酸生物合成途径中的重要作用。

柠檬是柑橘属中重要的物种之一，香水柠檬作为杰出的栽培品种具有全年开花结果、不结籽、果实成熟早、产量高等重要优良特性。柠檬还含有人体必需的维生素、柠檬酸、苹果酸和其他各种有益化合物，对健康具有重要意义。该研究通过PacBio测序和Hi-C技术完成了香水柠檬的染色体级别的高质量基因组组装，获得了9条染色体，大小为380.14Mb的柠檬参考基因组（图1）。

图1 柠檬基因组的组装结果

DNA甲基化已在许多植物中广泛研究，证实其在植物器官发育、种子萌发、果实成熟和响应环境胁迫等重要的生物过程中起到重要的调控作用。该研究发现，柠檬果实在成熟过程中不同背景DNA甲基化经历复杂的变化，非CHH环境的DNA甲基化均下降，而CHH环境的DNA甲基化升高，并且导致了全基因组的甲基化水平升高。柠檬果实成熟过程中非CHH环境的甲基化受到甲基转移酶和DNA去甲基化酶的动态共同调控。CHH甲基化水平的升高是由于RdDM途径酶的活性升高，这使得基因组甲基胞嘧啶数目增多从而增高了全基因组的甲基化水平。该研究同时识别出DNA高甲基化发生的特定基因组区域，并通过比较DNA甲基化组和转录组，确定了受DNA甲基化调控的关键基因（图2）。

图2 柠檬果实不同发育阶段的 DNA 甲基化概况

柠檬酸的累积是柑橘属植物极其重要的农艺性状。柠檬酸的含量会直接影响果实酸度，从而严重影响果实的口感及价值。水果果肉中柠檬酸的生物合成与积累是复杂的过程，该研究通过比较柠檬和其他柑橘属水果（甜橙和柚子）的转录组，识别了影响柠檬酸合成与累积的关键基因，如MYB transcription factor (PH4/5)和ANTHOCYANIN 1 (ClAN1)等，并且阐明了这些基因受到DNA甲基化的调控作用（图3）。

综上，该研究整合了多组学多物种数据，揭示了柠檬发育过程中果肉中柠檬酸合成与累积的关键基因以及其表观遗传修饰调控模式，从遗传学和表观遗传学角度为培育优质柠檬品种提供了理论依据和技术支持。

图3 柠檬酸生物合成受DNA甲基化调控

广西大学农学院王海峰教授（现崖州湾国家实验室）和黄桂香教授为该论文的通讯作者，广西大学博士研究生于航、博士研究生张超、硕士研究生卢闯和硕士研究生王亚娜为论文共同第一作者。研究得到了国家自然科学基金、广西自然科学基金等多个项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhae005