Plant Cell | 姜丹华团队揭示辣椒果实成熟的表观遗传调控网络

辣椒（Capsicum）是世界范围内广泛种植的重要蔬菜和调味作物，也是药用成分、天然色素和维生素C等功能物质的重要来源。果实成熟过程中，辣椒由绿色逐渐转为红色，并伴随类胡萝卜素积累、维生素C含量变化以及激素和多种代谢途径的重塑。这些变化共同决定了辣椒果实的色泽、风味、营养价值和商品品质。目前，人们对茄科果实发育与成熟机制的认识主要来自番茄。番茄是典型的呼吸跃变型果实，其成熟启动伴随明显的乙烯释放高峰；辣椒则通常被认为是非呼吸跃变型果实。二者同属茄科、亲缘关系密切，却表现出不同的成熟生理特征。因此，解析辣椒果实成熟的调控机制，并与番茄进行比较，有助于回答一个重要问题：茄科果实成熟是否由一套相对保守的核心调控网络控制？呼吸跃变型与非呼吸跃变型果实差异的分子基础是什么？

近日，新加坡淡马锡生命科学实验室姜丹华研究团队在 The Plant Cell 在线发表题为“Dynamic epigenetic and transcriptional regulatory network in pepper fruit development and ripening”的研究论文。该研究整合转录组、染色质可及性、组蛋白修饰和DNA甲基化数据，绘制了辣椒果实发育与成熟的多维表观基因组图谱。

研究人员选取未成熟绿色期（IG）、晚期未成熟绿色期（LIG）、成熟绿色期（MG）、成熟初期（ER）和红熟期（RR）五个连续阶段，从转录水平、染色质可及性、组蛋白修饰（H3K4me1、H3K4me3、H3K27ac、H3K27me3）和DNA甲基化入手进行分析，首次在果实发育与成熟研究中系统整合上述多层次表观遗传信息。

研究发现，辣椒果实成熟伴随广泛的转录和表观遗传重编程。染色质可及性、H3K4me3和H3K27ac的动态变化与基因表达总体呈正相关，其中H3K27ac与启动子及远端调控区域的染色质开放密切相关。H3K27me3的动态建立和去除则可能调控绿色阶段向成熟阶段的转换。基于转录因子印迹、顺式作用元件和共表达关系，作者进一步构建了辣椒果实发育与成熟的层级转录调控网络。该网络显示，番茄关键成熟调控因子RIN和NOR在辣椒中可能具有保守功能。病毒诱导的基因沉默实验表明，沉默辣椒NOR会延缓果实成熟，并降低候选下游基因FUL1和RIN的表达。

研究还发现，辣椒成熟过程中发生了显著的DNA甲基化重塑。全基因组CG和CHG甲基化水平下降，大量低甲基化区域位于基因启动子附近，并伴随染色质可及性和转录因子活性增强。沉默DNA去甲基化酶DML2会延缓果实成熟，而使用DNA甲基转移酶抑制剂5-azacytidine处理则能够促进成熟，进一步支持DNA甲基化动态变化在辣椒成熟中的重要作用。比较分析表明，辣椒与番茄可能共享DNA去甲基化及RIN、NOR等核心成熟调控机制，但在乙烯生物合成途径上存在明显分化。与番茄相比，辣椒成熟过程中ACS和ACO等乙烯合成基因的激活程度较弱。在番茄中，成熟过程中 ACS 编码基因的激活伴随着显著的 H3K27me3 去甲基化；相比之下，辣椒中对应 ACS 编码基因几乎不携带 H3K27me3 修饰，提示两者乙烯生物合成的表观遗传调控机制存在明显差异。此外，研究还解析了类胡萝卜素和维生素C生物合成途径的转录与表观遗传调控，并鉴定出一批潜在调控因子。

综上，该研究建立了系统的辣椒果实发育与成熟转录组和表观基因组资源，揭示了染色质可及性、组蛋白修饰、DNA甲基化与转录因子网络之间的协同变化，并提出了辣椒和番茄“核心成熟机制相对保守、乙烯合成输出模块发生分化”的调控模型。该研究为理解呼吸跃变型和非呼吸跃变型果实成熟机制的共性与差异提供了新视角，也为辣椒果色、营养品质和成熟期等重要农艺性状的遗传改良提供了重要候选基因和调控元件。为促进相关数据的查询和再利用，研究团队进一步建立了 Pepper Fruit Atlas 在线数据库，为果实发育、表观遗传和作物品质研究提供了重要资源。

新加坡淡马锡生命科学实验室刘潜博士为论文第一作者，姜丹华研究员为通讯作者。Javier Jingheng Tan、Janelle Shi Min Sim和杨瑞参与了辣椒VIGS等实验；新加坡国立大学医学系流式细胞术实验室Xiaoning Wang和Delia Pang为细胞核流式分选提供了技术支持；中国科学院遗传与发育生物学研究所李晓一博士和新加坡国立大学张昕冉博士参与了相关研究工作。该研究得到新加坡淡马锡生命科学实验室的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag211

Pepper Fruit Atlas 在线数据库：

https://pepperfruitatlas.org/?session=local-CPAzsFIXyGKyzP26pqE9P