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科研进展

逆境中心揭示DNA甲基化对番茄果实成熟的重要作用

2017-05-23

        5月15日,PNAS杂志在线发表了中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康研究组和郎曌博研究组题为“Critical roles of DNA demethylation in the activation of ripening-induced genes and inhibition of ripening-repressed genes in tomato fruit”的研究论文。该研究利用CRISPR/Cas 9技术获得了番茄sldml2的突变体植株,发现了番茄SlDML2调节的DNA去甲基化不仅可以激活成熟需要的基因,同时还可以抑制成熟不需要的基因,在调节番茄果实成熟的过程中发挥了重要作用。
 
        DNA甲基化是一种保守的表观遗传学标记,在生物发育和环境应答的过程中具有重要的调控作用。DNA甲基化和与之拮抗的DNA去甲基化过程相互平衡,动态调控基因组DNA甲基化模式,任何一方的失调都会导致DNA甲基化模式的紊乱。目前DNA甲基化与果实成熟间的关联和调控机制还知之甚少。有研究表明,DNA 去甲基化可能参与到了番茄果实的成熟过程。在番茄果实的成熟过程中,DNA 甲基化水平显著降低,同时施用DNA 甲基化的抑制剂可以加快果实成熟。但是DNA甲基化调控果实成熟的具体机制目前尚未证实。
 
        在这项研究中,研究人员利用CRISPR/Cas 9技术获得了番茄sldml2的突变体,SLDML2基因与拟南芥中的DNA去甲基化酶基因ROS1具有很高的同源性。由于该基因的失活,使得全基因组范围内的甲基化水平升高,诱导果实成熟的基因表达受到抑制,导致番茄果实不能正常成熟。进一步研究表明,SlDML2 参与了成熟相关基因的激活表达,主要参与了色素合成和口味形成、乙烯生物合成及信号传导途径、细胞壁水解等途径中。另外,令研究者意外是,SlDML2介导的DNA去甲基化也抑制了果实成熟中并不需要的基因的表达,这些基因大多是参与光合作用及细胞壁合成的基因。这项研究不仅发现了SIDML2基因的DNA去甲基化功能,而且揭示了DNA去甲基化在果实成熟发育过程中的重要作用,极有可能调控着果实成熟发育的精确度。该发现揭示DNA甲基化可能是转录因子和植物激素之外的第三个最重要的调节果实成熟因子,具有重要的理论和应用价值。
 
        该工作由逆境中心和普渡大学共同完成,逆境中心郎曌博研究员为第一作者,朱健康研究员、郎曌博研究员为共同通讯作者。该工作得到了中国科学院等经费的资助。
 
 

Fruit-ripening phenotypes of tomato sldml2 mutants.
(A) Plants of the WT (cv. Micro-Tom), sldml2-1, and sldml2-2 at the same stage. All plants were from the T0 generation. 
(B) Fruits of the WT andsldml2-1 at 46 dpa and 60 dpa. 
(C) Photograph of the inside of fruits of the WT and sldml2-1 at 60 dpa.
 
Image by Dr. Zhaobo Lang.