转录因子PpNAC1和DNA去甲基酶PpDML1协同调控桃果实成熟

2023年11月22日，浙江大学张波教授课题组研究成果，发表在Plant Physiology期刊上（影响因子7.4），文章题目为Transcription factor PpNAC1 and DNA demethylase PpDML1 synergistically regulate peach fruit ripening。该研究使用了DNA亲和纯化测序（DAP-seq）技术鉴定了PpNAC1转录因子的结合基序和靶基因。研究发现转录因子PpNAC1和DNA去甲基酶PpDML1协同调节桃果实中乙烯合成、果肉软化和风味形成的分子机制。

果实成熟伴随着颜色、质地和风味的巨大变化，并受到转录因子(TFs)和表观遗传因子的调控。植物的NAC转录因子（TF）家族对果实成熟过程的调控发挥着关键作用，但在桃果实成熟过程中的调控机制并不清楚。

研究发现， PpNAC1可直接激活多个果实成熟相关基因的表达，在番茄(Solanum lycopersicum) nor (non-ripening)突变体中的过表达PpNAC1可恢复果实的成熟，在桃果实中的瞬时过表达PpNAC1可诱导相关靶基因的表达。PpNAC1及其靶基因转录水平的增强与成熟过程中启动子mCG甲基化的降低有关。DNA甲基化下降与DNA去甲基化酶1 (PpDML1) 转录增加呈负相关，PpNAC1可识别和激活DNA去甲基化酶1启动子。这些结果表明，PpNAC1和PpDML1之间的正反馈回路直接调控了桃成熟和品质形成所需的多个基因的表达。

1.桃果实成熟过程中乙烯释放、质地和风味的变化

在桃子果实成熟的S3到S5阶段，乙烯合成的数量增加了约100倍，通过硬度下降来衡量软化程度显著降低。同时，有机酸的含量显著减少，总含糖量随着果实成熟而增加。在早期阶段，C6醛和醇含量减少，而挥发性酯和内酯含量增加，果实呈现出“果香"和“桃香"气味。外源乙烯处理加速了果实软化，促进了酯类和内酯类的合成，而1-MCP作为乙烯感知和作用的特异性抑制剂，则抑制了果实软化和挥发物的合成。

2.NAC家族成员PpNAC1与桃果实成熟有关

桃子中含有115个NAC成员，系统发育分析显示，其中有9个成员与其他已知与成熟相关的NAC聚集在一起，包括PpNAC1和PpNAC2。RNA-seq分析表明，PpNAC1的转录水平在果实成熟期间逐渐增加，并在成熟后保持在高水平，而PpNAC4和PpNAC5的转录水平却相反。其他NAC成员的丰度相对较低。与对照和1-MCP处理相比，外源乙烯处理显著增加了PpNAC1的转录水平。

根据MADS-RIN在番茄中的重要调控作用，分析了MADS家族成员在桃中的转录水平。其中有10个成员与MADS-RIN同源，其中4个成员转录水平较高，但与桃子成熟过程中乙烯的产生呈负相关，其他6个成员几乎不表达。因此，结合本实验和作者之前的研究，最终选择PpNAC1作为候选TF，探索桃果实成熟的调控机制。

图1. 桃果实成熟过程中乙烯释放量、果实硬度、糖、酸和挥发物以及NAC成员转录水平的变化。

3.结合DAP-seq和RNA-seq鉴定PpNAC1的靶基因

作者通过DNA亲和纯化测序（DAP-seq）技术鉴定了PpNAC1的靶基因，通过两次技术重复在基因组上共获得了9238个结合位点，PpNAC1的结合位点主要位于转录起始位点（TSS）上游的500bp区域，24.3%（2245个基因）的PpNAC1结合位点位于的启动子区（TSS上游2kb）。DAP-seq结果中的MEME分析显示，ACG（T/C）（A/C）是PpNAC1的结合位点。在猕猴桃和香蕉的其他NAC转录因子中也观察到了相同的结合基序。这些结果表明果实中NAC的结合基序是保守的。GO富集分析结果显示，启动子与PpNAC1结合的基因参与了果实的有机酸、蔗糖代谢等初级代谢过程，苯丙烷代谢、内酯代谢等次级代谢过程，激素代谢及反应，还与果实发育及防御反应过程有关。

为进一步筛选PpNAC1调控的桃子成熟过程中与果实品质相关的候选靶基因，结合RNA-seq数据，检测到了2245个NAC结合位点基因。随后，进行WGCNA和共表达网络分析进一步挖掘PpNAC1靶基因PpACS1，PpACO1，PpPME1，PpPL1，PpPG1，PpSAD1，PpFAD3-1等。

图2. 通过DAP-seq和RNA-seq对PpNAC1结合位点和靶基因进行全基因组分析。

 4.PpNAC1调节靶基因的验证

通过双荧光素酶报告实验（DLR）验证了PpNAC1对相关潜在基因靶点的转录激活作用，并展示了DAP-seq结果中PpNAC1与相关基因的结合峰。通过EMSA结果证实，PpNAC1可以在PpACS1、PpACO1，PpPL1，PpFAD3-1, PpAAT1和PpTST1的启动子区与NACBS结合。这些结果表明，在果实成熟过程中，PpNAC1通过激活相关基因的转录，在乙烯合成和果实软化过程中发挥着重要的调节作用。此外，这些结果还证明了DAP-seq在鉴定TF调节的靶基因方面的重要价值。

图3. PpNAC1通过激活乙烯合成和果胶代谢相关基因的转录来调控果实的成熟和软化。

图4. PpNAC1通过激活VOCs合成和糖运输相关基因的转录来调节水果风味。 

5.PpNAC1调控桃和转基因番茄的果实软化和风味

利用桃愈伤组织和转基因番茄中的过表达来验证PpNAC1对果实成熟、软化和风味形成的调节作用。在桃愈伤组织中过表达PpNAC1促进了上述参与乙烯合成、果胶降解和挥发物合成过程的靶基因转录。在nor番茄突变体中过表达PpNAC1也基本可以恢复番茄nor突变体的乙烯合成和其他基因的表达缺陷，并促进果实成熟。

图5. PpNAC1在桃愈伤组织中的瞬时过表达和在番茄中的稳定过表达均促进了果实成熟和风味发育相关基因的表达。

6.       PpNAC1靶基因启动子区的DNA甲基化水平与果实成熟过程中的转录水平呈负相关

DNA甲基化是一种研究较为深入的表观遗传修饰，在调控果实成熟过程中发挥重要作用，也是导致表型变异的重要遗传因子。全基因组甲基化测序（WGBS）分析显示，启动子区域mCG甲基化水平与成熟相关基因表达水平之间存在显著的负相关。

图6. 与果实成熟和风味形成相关的基因的全基因组甲基化谱和启动子区甲基化水平。 

7.PpNAC1和DNA甲基化与桃果实成熟和风味形成有关

在番茄nor突变体果实中过表达PpNAC1促进了SlDML2的表达，此外，在桃愈伤组织中过表达PpNAC1可促进PpDML1的表达。DLR和EMSA检测证实PpNAC1可以直接与PpDML1启动子结合激活其转录。随着果实成熟，PpNAC1启动子区域的mCG甲基化水平下降，并与其转录水平呈负相关(r = -0.88)，其转录可能受到PpDML1介导的甲基化调控。

这些结果表明，桃子中PpNAC1和PpDML1之间存在一个正反馈回路，协同调控果实成熟。基于本研究的结果，作者构建了PpNAC1和PpDML1在果实成熟过程中的调控模型。

图7. 桃果实成熟过程中PpNAC1和PpDML1在DNA去甲基化和成熟基因表达中的作用。

文章小结：

乙烯响应TFs和DNA甲基化在果实成熟和风味品质的调节中发挥着重要作用。本研究表明，PpNAC1通过靶基因的转录调控和表观遗传因子（如DNA甲基化）来调控果实成熟和风味品质。了解调控水果成熟和质量的表观遗传机制将为作物育种提供新的方向，并对改善水果质地和风味具有重大价值，对由于人口增长和饮食变化而不断增长的全球粮食需求提供帮助。