2025年10月23日，四川大學(xué)張陽教授團(tuán)隊在Journal of Integrative Plant Biology（IF: 9.3）在線發(fā)表了題為Light regulates tomato fruit metabolome via SlDML2‐mediated global DNA demethylation的研究論文，該研究借助DAP-seq技術(shù)闡明了番茄中“光信號—SlHY5—SlDML2—DNA甲基化—果實代謝"的調(diào)控鏈條，揭示了光信號通過調(diào)控DNA甲基化進(jìn)而影響植物整體代謝網(wǎng)絡(luò)的全新機(jī)制。藍(lán)景科信為該研究提供了DAP-seq技術(shù)支持。
光是植物主要的能量來源，同時也是一種至關(guān)重要的環(huán)境因子，具有廣泛的生物學(xué)功能。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)光配方（包括光周期、光照強(qiáng)度和光質(zhì)）已被認(rèn)為是加快植物生長速度、提高產(chǎn)量或改善品質(zhì)的關(guān)鍵手段。目前，在解析光影響植物生長發(fā)育的分子機(jī)制方面已取得顯著進(jìn)展，但表觀遺傳調(diào)控在光響應(yīng)中的作用機(jī)制尚未明確。
主要研究結(jié)果
核心發(fā)現(xiàn)一：多組學(xué)+數(shù)據(jù)庫構(gòu)建——解析光質(zhì)對果實代謝的全局調(diào)控
為系統(tǒng)探究光質(zhì)對番茄果實代謝的影響，本研究在番茄開花期分別施加30%紅光（RLS）與30%藍(lán)光（BLS）補(bǔ)充照明，于9個發(fā)育階段采集果實樣本。非靶向代謝組（LC-MS/MS、GC-MS）共鑒定了479種代謝物，RLS與BLS均顯著促進(jìn)類胡蘿卜素（如α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、番茄紅素）和類黃酮的積累。進(jìn)一步RNA-seq分析篩選出3615個光響應(yīng)基因，其中類胡蘿卜素合成關(guān)鍵基因（SlGGPPS2、SlPSY1、SlPDS）、乙烯合成基因（SlACS2、SlACO1）、細(xì)胞壁降解基因（SlEXP1、SlPG2A）在RLS/BLS處理下提前激活。
圖1 補(bǔ)充紅光（RLS）或補(bǔ)充藍(lán)光（BLS）誘導(dǎo)番茄果實發(fā)生顯著代謝變化
核心發(fā)現(xiàn)二：基因功能驗證——鎖定光信號傳導(dǎo)與表觀調(diào)控關(guān)鍵因子
1、光受體：SlphyB2與SlCRY1a分別介導(dǎo)紅光與藍(lán)光響應(yīng)
為明確光調(diào)控代謝的核心通路，本研究構(gòu)建SlPHYB2-RNAi（紅光受體）與SlCRY1a-RNAi（藍(lán)光受體）轉(zhuǎn)基因番茄，對比其在RLS/BLS處理下的果實表型與基因表達(dá)差異。SlPHYB2-RNAi果實對RLS響應(yīng)消失——類胡蘿卜素積累延遲7d，SlPSY1、SlACS2等基因表達(dá)量較野生型（WT）降低60%-80%；而SlCRY1a-RNAi果實對BLS響應(yīng)缺失，類黃酮含量降至WT的30%，證明SlphyB2與SlCRY1a是紅光、藍(lán)光調(diào)控果實代謝的特異性受體。
圖2 光受體SlPHYB2和SlCRY1a分別參與補(bǔ)充紅光和補(bǔ)充藍(lán)光介導(dǎo)的果實成熟加速過程
2、DNA去甲基化酶SlDML2：光誘導(dǎo)代謝的表觀調(diào)控核心
構(gòu)建SlDML2-Cas9敲除突變體，檢測其在不同光處理下的果實成熟表型、基因表達(dá)及全基因組甲基化水平。結(jié)果顯示SlDML2突變體果實無論在白光、RLS還是BLS條件下均維持綠色未成熟表型，成熟相關(guān)基因（SlRIN、SlNOR、SlCNR）啟動子甲基化水平較WT升高40%-50%，且RLS/BLS誘導(dǎo)的甲基化降低效應(yīng)消失；同時，類胡蘿卜素與類黃酮合成通路的關(guān)鍵基因表達(dá)被顯著抑制，證明SlDML2介導(dǎo)的全基因組去甲基化是光誘導(dǎo)果實代謝與成熟的必需環(huán)節(jié)。
圖3 番茄光誘導(dǎo)表達(dá)數(shù)據(jù)庫（TomLED）數(shù)據(jù)的自組織映射分析圖
圖4 SlDML2調(diào)控的DNA甲基化參與光誘導(dǎo)的番茄果實代謝及成熟變化
3、光信號中樞SlHY5：連接光信號與表觀調(diào)控的關(guān)鍵紐帶
研究團(tuán)隊進(jìn)一步以proSlDML2為誘餌進(jìn)行了酵母單雜交篩選，鑒定出229個轉(zhuǎn)錄因子。然后以SlDML2為目標(biāo)進(jìn)行共表達(dá)分析，篩選得到12個轉(zhuǎn)錄因子，其中有6個基因（Solyc09g075440、Solyc07g052700、Solyc07g052960、Solyc07g055920、Solyc12g087830 和Solyc08g061130）通過兩種方法均被篩選出來。在這6個基因中，Solyc08g061130（SlHY5，光信號調(diào)控因子）的表達(dá)被RLS或BLS顯著上調(diào)。推測SlHY5可能是SlDML2的互作因子。進(jìn)一步實驗證實，SlHY5的表達(dá)受RLS和BLS顯著誘導(dǎo)，且該誘導(dǎo)效應(yīng)依賴于光受體SlPHYB2和SlCRY1a。SlHY5是光信號促進(jìn)果實成熟所必需的，其缺失會導(dǎo)致成熟過程受阻，且關(guān)鍵成熟基因（SlDML2、SlRIN、SlNOR、SlCNR）的表達(dá)顯著下調(diào)，且喪失對光信號的響應(yīng)能力。以上結(jié)果表明SlHY5在SlDML2上游發(fā)揮作用，構(gòu)建起光信號與DNA去甲基化之間的關(guān)鍵調(diào)控橋梁，而其表達(dá)也可在成熟過程中通過SlDML2介導(dǎo)的啟動子去甲基化進(jìn)一步被誘導(dǎo)，形成雙向調(diào)控關(guān)系。
為進(jìn)一步研究SlHY5分子機(jī)制，研究團(tuán)隊進(jìn)行DAP-seq分析，結(jié)果顯示SlHY5可直接結(jié)合SlDML2啟動子的G-box基序，且結(jié)合能力在 RLS/BLS 處理下提升2-3倍；ChIP-qPCR 、EMSA、Y1H進(jìn)一步驗證了這一結(jié)合關(guān)系。然后通過Dual-LUC實驗，驗證SlHY5可顯著激活SlDML2啟動子活性（LUC/REN 比值較對照升高4.5倍），突變G-box后激活效應(yīng)消失。接著通過構(gòu)建SlHY5-RNAi與SlHY5-Cas9突變體，發(fā)現(xiàn)突變體果實中SlDML2表達(dá)量較WT顯著下降，全基因組CG/CHG甲基化水平升高，RLS/BLS誘導(dǎo)的代謝加速效應(yīng)喪失。以上結(jié)果證明，SlHY5通過直接結(jié)合并激活SlDML2，構(gòu)建起光信號與DNA去甲基化之間的關(guān)鍵調(diào)控通路。
圖5 SlHY5在番茄果實成熟過程中發(fā)揮重要作用
圖6 SlHY5通過直接誘導(dǎo)SlDML2基因表達(dá)，調(diào)控光介導(dǎo)番茄果實代謝變化
小結(jié)
本研究揭示了光信號通過“光受體–SlHY5–SIDML2–DNA去甲基化–代謝/成熟基因"級聯(lián)通路，調(diào)控番茄果實代謝組與成熟過程的分子機(jī)制。該發(fā)現(xiàn)不僅深化了對植物光信號與表觀遺傳互作的理解，也為通過光調(diào)控策略改善果蔬品質(zhì)提供了理論依據(jù)與育種靶點。
圖7 紅光/藍(lán)光介導(dǎo)番茄果實代謝及成熟變化的作用模型
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