兩種轉錄因子在介導番茄果實成熟的表觀遺傳調控中發揮的關鍵作用
果實成熟是一個高度協調的過程，涉及多種生理和生化變化，如軟化、著色和香氣合成。這一過程受到植物激素和轉錄因子的調控。番茄作為研究果實發育和成熟的模式植物，其成熟過程伴隨著乙烯的產生和信號通路。已知多個轉錄因子（如RIN、FUL1等）在果實成熟中起關鍵作用。近年來，研究發現DNA甲基化也是調控果實成熟的重要因素之一。DNA甲基化是一種通常與基因轉錄的沉默相關的表觀遺傳修飾。在番茄中，DML2基因表達與果實成熟誘導的DNA去甲基化相關，但其具體的分子機制尚不清楚。
近日，安徽農業大學牛慶豐團隊、南方科技大學郎曌博和朱健康院士團隊合作揭示了DNA甲基化通過調控兩個關鍵轉錄因子RIN（Ripening Inhibitor）和FUL1（FRUITFULL 1）以影響番茄果實成熟的分子機制。研究發現，DNA去甲基化酶基因DML2（DEMETER-LIKE 2）突變導致全基因組DNA高甲基化，進而抑制RIN和FUL1表達，并抑制RIN與其靶基因的結合，最終影響番茄果實成熟。通過恢復RIN表達，可以部分挽救dml2突變體的成熟確實，研究闡明了RIN在DML2依賴的果實成熟中的關鍵作用。相關研究成果以《Two transcription factors play critical roles in mediating epigenetic regulation of fruit ripening in tomato》為題發表于《Proc Natl Acad Sci U S A》（PNAS）期刊。
標題：Two transcription factors play critical roles in mediating epigenetic regulation of fruit ripening in tomato（兩種轉錄因子在介導番茄果實成熟的表觀遺傳調控中發揮關鍵作用）
發表時間：2025-4-9
發表期刊：PNAS
影響因子： IF9.4/Q1
技術平臺：WGBS、ChIP-seq、RNA-seq（易基因金牌技術）
研究摘要
DNA甲基化調控番茄果實的成熟，而DNA去甲基化酶基因DML2突變會導致全基因組DNA高甲基化和成熟受損。本研究通過全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）和染色質免疫共沉淀測序（ChIP-seq）揭示了轉錄因子RIN和FUL1在介導DNA甲基化對番茄果實成熟的影響中發揮關鍵作用。在dml2突變體植物中RIN和FUL1沉默，而rin/ful1雙突變體則模擬dml2成熟缺失表型。在dml2中恢復RIN表達可以部分挽救其成熟缺失。DNA甲基化不僅通過調控RIN和FUL1的表達來控制成熟，還通過干擾RIN的基因組結合來發揮作用。在dml2突變體植物中，盡管DNA甲基化在體外并不干擾RIN結合，但RIN在體內無法與其部分靶點結合；這種體內結合受阻與結合位點±100bp范圍內DNA甲基化增加和組蛋白H3富集相關。本研究揭示了DNA甲基化控制番茄果實成熟的分子機制。
研究方法
基因編輯與突變體分析：利用CRISPR/Cas9技術生成了DML2、RIN、FUL1等基因的突變體，并分析其果實成熟表型。
轉錄組測序（RNA-seq）：對野生型和突變體果實進行轉錄組分析，鑒定差異表達基因（DEGs）。
全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）：分析野生型和dml2突變體果實的DNA甲基化組，鑒定差異甲基化區域（DMRs）。
染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）：分析RIN在野生型和dml2突變體果實中的全基因組結合模式，鑒定RIN的靶基因。
電泳遷移率變化分析（EMSA）：體外驗證RIN對甲基化和未甲基化CArG-box的結合能力。
結果圖形
（1）兩個MADS-box轉錄因子在DML2下游冗余地調控果實成熟
發現RIN和FUL1在調控果實成熟中具有部分冗余功能，雙突變體rin/ful1的果實成熟表型與dml2突變體相似。
圖1：RIN和FUL1在DML2下游冗余地調控番茄果實成熟。
（A）AC（野生型）以及rin、ful1、rin/ful1、nor和dml2突變體番茄果實的表型。
（B）AC和dml2-3果實中RIN和FUL1的轉錄本表達譜熱圖。
（C）AC和dml2-3果實中RIN和FUL1轉錄本水平的RT-qPCR分析。
（D）AC和dml2-3果實中RIN和FUL1啟動子的甲基化水平。
（2）RIN和FUL1在DML2介導的果實成熟過程中基因表達調控中發揮關鍵作用
約70%的dml2突變體中的基因表達變化可歸因于RIN和FUL1的沉默。
（B）維恩圖顯示dml2-3和rin/ful1-1突變體與AC果實相比的上調和下調DEGs重疊。
（C）熱圖顯示AC 25 dpa、AC 34 dpa、dml2-3 34 dpa和rin/ful1-1 34 dpa果實中重疊的上調和下調DEGs的轉錄本水平。
（D）根據三個重復的平均表達水平，對AC、dml2-3、rin-cr1、ful1-1、nor-cr1和rin/ful1-1果實的轉錄組數據進行聚類分析。
（3）恢復RIN表達部分挽救了dml2的成熟表型。
在dml2突變體中恢復RIN表達可部分恢復乙烯產生和果實成熟。
（B）在授粉后45天時，AC、ful1-1、rin-cr1、rin/ful1-1、dml2-3、dml2-4和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3第1株系果實中β-胡蘿卜素和番茄紅素的積累情況。
（C）在授粉后25天、34天、38天和45天時，AC、ful1-1、rin-cr1、rin/ful1-1、dml2-3、dml2-4和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3第1株系果實中的乙烯產生量。
（D）在授粉后38天時，AC、ful1-1、rin-cr1、rin/ful1-1、dml2-3和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3第1株系果實中的ACC（1-氨基環丙烷-1-羧酸）含量。
（E）通過qRT-PCR分析顯示在授粉后38天時，不同突變體果實中DML2的相對表達水平。
（4）DML2對RIN結合的影響
ChIP-seq結果顯示，DML2不僅調控RIN和FUL1表達，還影響RIN在其靶基因上的結合。
（B-C）利用整合基因組瀏覽器（IGB）展示RIN在其下游基因（AP2a、PG2a、NAC-NOR和Z-ISO）啟動子上的富集情況。與pCBC::RIN-3xFLAG中的ChIP信號相比，RIN在AP2a和PG2a啟動子上的富集得以維持（B），但在pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3果實中，RIN在NAC-NOR和Z-ISO啟動子上的富集丟失（C）。AC中的ChIP信號作為陰性對照。
（D）通過ChIP-qPCR分析AP2a、PG2a、NAC-NOR和Z-ISO啟動子上RIN的富集情況。使用了34 dpa時的AC、pCBC::RIN-3xFLAG和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3果實。以SlACTIN2作為目標基因的非特異性對照。
（5）RIN結合喪失與dml2中DNA甲基化增加相關
在dml2突變體中，RIN結合位點附近的DNA甲基化增加與RIN結合的喪失高度相關，且這種影響主要位于結合位點附近的100 bp區域內。
圖6：dml2-3中RIN結合的喪失與DNA甲基化的增加高度相關。
（A）箱線圖顯示AC、dml2-3和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3中68,230個dml2-3高甲基化DMRs的DNA甲基化水平。
（B）曲線圖顯示AC和dml2-3在三組RIN結合區域中的平均RIN信號。
（C）平滑散點圖顯示DNA甲基化增加與dml2-3中RIN富集之間的相關性。
（D）IGB圖展示dml2-3中Solyc01g094320和Solyc03g079850啟動子上RIN ChIP信號和BS-seq數據，顯示了胞嘧啶甲基化對RIN富集的影響。
（6）DNA甲基化通過改變染色質結構間接抑制RIN結合。
DNA甲基化增加與組蛋白H3富集增加相關，表明DNA甲基化可能通過改變染色質結構間接抑制RIN結合。
（B）箱線圖顯示在兩組RIN結合區域中，dml2-3相對于AC的DNA甲基化變化。
（C）RIN ChIP信號的變化與dml2-3相對于AC的DNA甲基化和H3富集的變化相關。
（D）使用GST-RIN（1-157aa）截短蛋白和GST蛋白進行EMSA實驗。
易小結
本研究通過WGBS+ChIP-seq+RNA-seq揭示了DML2通過調控RIN和FUL1表達以及RIN基因組結合以調控番茄果實成熟的分子機制。DNA甲基化不僅通過抑制RIN和FUL1表達來調控果實成熟，還通過改變染色質結構間接影響RIN與其靶基因的結合。這些發現為理解DNA甲基化在植物果實成熟中的作用提供了新的視角，并為果實成熟調控的表觀遺傳機制提供了重要見解。
ChIP-seq和WGBS技術在本研究中的重要作用
ChIP-seq技術：用于分析RIN在野生型和dml2突變體果實中的全基因組結合（互作）模式。通過比較兩者的RIN結合圖譜，研究者發現DML2突變導致RIN在部分靶基因上結合喪失，揭示了DML2對RIN結合的調控作用。
WGBS技術：用于分析野生型和dml2突變體果實的全基因組DNA甲基化模式。通過鑒定DMRs，研究者發現dml2突變體中DNA甲基化增加與RIN結合位點喪失高度相關，揭示了DNA甲基化對RIN結合的調控機制。
參考文獻：
Niu Q, Xu Y, Huang H, Li L, Tang D, Wu S, Liu P, Liu R, Ma Y, Zhang B, Zhu JK, Lang Z. Two transcription factors play critical roles in mediating epigenetic regulation of fruit ripening in tomato. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Apr 15;122(15):e2422798122. doi: 10.1073/pnas.2422798122.
近日，安徽農業大學牛慶豐團隊、南方科技大學郎曌博和朱健康院士團隊合作揭示了DNA甲基化通過調控兩個關鍵轉錄因子RIN（Ripening Inhibitor）和FUL1（FRUITFULL 1）以影響番茄果實成熟的分子機制。研究發現，DNA去甲基化酶基因DML2（DEMETER-LIKE 2）突變導致全基因組DNA高甲基化，進而抑制RIN和FUL1表達，并抑制RIN與其靶基因的結合，最終影響番茄果實成熟。通過恢復RIN表達，可以部分挽救dml2突變體的成熟確實，研究闡明了RIN在DML2依賴的果實成熟中的關鍵作用。相關研究成果以《Two transcription factors play critical roles in mediating epigenetic regulation of fruit ripening in tomato》為題發表于《Proc Natl Acad Sci U S A》（PNAS）期刊。
發表時間：2025-4-9
發表期刊：PNAS
影響因子： IF9.4/Q1
技術平臺：WGBS、ChIP-seq、RNA-seq（易基因金牌技術）
研究摘要
DNA甲基化調控番茄果實的成熟，而DNA去甲基化酶基因DML2突變會導致全基因組DNA高甲基化和成熟受損。本研究通過全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）和染色質免疫共沉淀測序（ChIP-seq）揭示了轉錄因子RIN和FUL1在介導DNA甲基化對番茄果實成熟的影響中發揮關鍵作用。在dml2突變體植物中RIN和FUL1沉默，而rin/ful1雙突變體則模擬dml2成熟缺失表型。在dml2中恢復RIN表達可以部分挽救其成熟缺失。DNA甲基化不僅通過調控RIN和FUL1的表達來控制成熟，還通過干擾RIN的基因組結合來發揮作用。在dml2突變體植物中，盡管DNA甲基化在體外并不干擾RIN結合，但RIN在體內無法與其部分靶點結合；這種體內結合受阻與結合位點±100bp范圍內DNA甲基化增加和組蛋白H3富集相關。本研究揭示了DNA甲基化控制番茄果實成熟的分子機制。
研究方法
基因編輯與突變體分析：利用CRISPR/Cas9技術生成了DML2、RIN、FUL1等基因的突變體，并分析其果實成熟表型。
轉錄組測序（RNA-seq）：對野生型和突變體果實進行轉錄組分析，鑒定差異表達基因（DEGs）。
全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）：分析野生型和dml2突變體果實的DNA甲基化組，鑒定差異甲基化區域（DMRs）。
染色質免疫沉淀測序（ChIP-seq）：分析RIN在野生型和dml2突變體果實中的全基因組結合模式，鑒定RIN的靶基因。
電泳遷移率變化分析（EMSA）：體外驗證RIN對甲基化和未甲基化CArG-box的結合能力。
結果圖形
（1）兩個MADS-box轉錄因子在DML2下游冗余地調控果實成熟
發現RIN和FUL1在調控果實成熟中具有部分冗余功能，雙突變體rin/ful1的果實成熟表型與dml2突變體相似。
圖1：RIN和FUL1在DML2下游冗余地調控番茄果實成熟。
（B）AC和dml2-3果實中RIN和FUL1的轉錄本表達譜熱圖。
（C）AC和dml2-3果實中RIN和FUL1轉錄本水平的RT-qPCR分析。
（D）AC和dml2-3果實中RIN和FUL1啟動子的甲基化水平。
（2）RIN和FUL1在DML2介導的果實成熟過程中基因表達調控中發揮關鍵作用
約70%的dml2突變體中的基因表達變化可歸因于RIN和FUL1的沉默。
圖2：dml2-3和rin/ful1-1果實成熟過程中轉錄本積累的比較分析。
（A）火山圖顯示dml2-3和rin/ful1-1突變體與AC果實（34 dpa）相比的DEGs。（B）維恩圖顯示dml2-3和rin/ful1-1突變體與AC果實相比的上調和下調DEGs重疊。
（C）熱圖顯示AC 25 dpa、AC 34 dpa、dml2-3 34 dpa和rin/ful1-1 34 dpa果實中重疊的上調和下調DEGs的轉錄本水平。
（D）根據三個重復的平均表達水平，對AC、dml2-3、rin-cr1、ful1-1、nor-cr1和rin/ful1-1果實的轉錄組數據進行聚類分析。
（3）恢復RIN表達部分挽救了dml2的成熟表型。
在dml2突變體中恢復RIN表達可部分恢復乙烯產生和果實成熟。
圖3：恢復RIN表達部分挽救了dml2-3的成熟表型。
（A）AC、dml2-3、pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3第1株系和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3第2株系的果實圖片。展示授粉后25天（25 dpa）、34天（34 dpa）、38天（38 dpa）和45天（45 dpa）的果實。（B）在授粉后45天時，AC、ful1-1、rin-cr1、rin/ful1-1、dml2-3、dml2-4和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3第1株系果實中β-胡蘿卜素和番茄紅素的積累情況。
（C）在授粉后25天、34天、38天和45天時，AC、ful1-1、rin-cr1、rin/ful1-1、dml2-3、dml2-4和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3第1株系果實中的乙烯產生量。
（D）在授粉后38天時，AC、ful1-1、rin-cr1、rin/ful1-1、dml2-3和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3第1株系果實中的ACC（1-氨基環丙烷-1-羧酸）含量。
（E）通過qRT-PCR分析顯示在授粉后38天時，不同突變體果實中DML2的相對表達水平。
圖4：rin/ful1-1果實對外源乙烯的響應與dml2-3果實相似。
研究了外源乙烯處理對AC、rin-cr1、ful1-1、rin/ful1-1和dml2-3果實成熟的影響。所有果實均在成熟綠期（MG階段，授粉后30天，30 dpa）采摘，并用外源乙烯利（2 mM）處理5分鐘，或用1-MCP（5 ppm）持續處理最長8天。（4）DML2對RIN結合的影響
ChIP-seq結果顯示，DML2不僅調控RIN和FUL1表達，還影響RIN在其靶基因上的結合。
圖5：DML2是RIN在其部分靶標上結合所必需的。
（A）熱圖顯示在授粉后34天（34 dpa）時，pCBC::RIN-3xFLAG和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3果實中的RIN ChIP信號。（B-C）利用整合基因組瀏覽器（IGB）展示RIN在其下游基因（AP2a、PG2a、NAC-NOR和Z-ISO）啟動子上的富集情況。與pCBC::RIN-3xFLAG中的ChIP信號相比，RIN在AP2a和PG2a啟動子上的富集得以維持（B），但在pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3果實中，RIN在NAC-NOR和Z-ISO啟動子上的富集丟失（C）。AC中的ChIP信號作為陰性對照。
（D）通過ChIP-qPCR分析AP2a、PG2a、NAC-NOR和Z-ISO啟動子上RIN的富集情況。使用了34 dpa時的AC、pCBC::RIN-3xFLAG和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3果實。以SlACTIN2作為目標基因的非特異性對照。
（5）RIN結合喪失與dml2中DNA甲基化增加相關
在dml2突變體中，RIN結合位點附近的DNA甲基化增加與RIN結合的喪失高度相關，且這種影響主要位于結合位點附近的100 bp區域內。
圖6：dml2-3中RIN結合的喪失與DNA甲基化的增加高度相關。
（B）曲線圖顯示AC和dml2-3在三組RIN結合區域中的平均RIN信號。
（C）平滑散點圖顯示DNA甲基化增加與dml2-3中RIN富集之間的相關性。
（D）IGB圖展示dml2-3中Solyc01g094320和Solyc03g079850啟動子上RIN ChIP信號和BS-seq數據，顯示了胞嘧啶甲基化對RIN富集的影響。
（6）DNA甲基化通過改變染色質結構間接抑制RIN結合。
DNA甲基化增加與組蛋白H3富集增加相關，表明DNA甲基化可能通過改變染色質結構間接抑制RIN結合。
圖7：RIN結合位點周圍100 bp內的DNA高甲基化抑制了RIN結合。
（A）熱圖顯示在34 dpa時，pCBC::RIN-3xFLAG和pCBC::RIN-3xFLAG/dml2-3果實中與高甲基化DMRs相關的RIN結合區域的RIN ChIP信號。（B）箱線圖顯示在兩組RIN結合區域中，dml2-3相對于AC的DNA甲基化變化。
（C）RIN ChIP信號的變化與dml2-3相對于AC的DNA甲基化和H3富集的變化相關。
（D）使用GST-RIN（1-157aa）截短蛋白和GST蛋白進行EMSA實驗。
易小結
本研究通過WGBS+ChIP-seq+RNA-seq揭示了DML2通過調控RIN和FUL1表達以及RIN基因組結合以調控番茄果實成熟的分子機制。DNA甲基化不僅通過抑制RIN和FUL1表達來調控果實成熟，還通過改變染色質結構間接影響RIN與其靶基因的結合。這些發現為理解DNA甲基化在植物果實成熟中的作用提供了新的視角，并為果實成熟調控的表觀遺傳機制提供了重要見解。
ChIP-seq和WGBS技術在本研究中的重要作用
ChIP-seq技術：用于分析RIN在野生型和dml2突變體果實中的全基因組結合（互作）模式。通過比較兩者的RIN結合圖譜，研究者發現DML2突變導致RIN在部分靶基因上結合喪失，揭示了DML2對RIN結合的調控作用。
WGBS技術：用于分析野生型和dml2突變體果實的全基因組DNA甲基化模式。通過鑒定DMRs，研究者發現dml2突變體中DNA甲基化增加與RIN結合位點喪失高度相關，揭示了DNA甲基化對RIN結合的調控機制。
參考文獻：
Niu Q, Xu Y, Huang H, Li L, Tang D, Wu S, Liu P, Liu R, Ma Y, Zhang B, Zhu JK, Lang Z. Two transcription factors play critical roles in mediating epigenetic regulation of fruit ripening in tomato. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Apr 15;122(15):e2422798122. doi: 10.1073/pnas.2422798122.
標簽：
DNA甲基化
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