WGBS揭示AtSAMS通過DNA甲基化植物花器官發育的表觀遺傳機制
花器官是植物繁殖的關鍵結構，其發育受到嚴格的遺傳調控。ABC模型是解釋花器官發育的經典理論，其中A、B、C、E功能基因分別調控萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊的形成。然而，這些基因的表達調控機制尚未完全明確。DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾，在基因調控、基因組穩定性和植物發育中發揮關鍵作用。S-腺苷甲硫氨酸合成酶（S-adenosylmethionine synthase，SAMS）是參與S-腺苷甲硫氨酸生物合成的關鍵酶，是甲基化反應中的通用甲基供體，同時也是乙烯、多胺等生物合成的共同前體。乙烯是一種重要的植物激素，參與植物的多種生理過程，包括花器官發育。然而，SAMS如何通過甲基化和乙烯信號通路調控花器官發育尚不清楚。
近日，湖南師范大學生命科學學院胡文俐博士等為第一作者，李東屏教授、田連福博士為共同通訊以擬南芥為研究對象，探討了擬南芥S-腺苷甲硫氨酸合成酶（AtSAMS）對花器官發育的調控機制。研究發現，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官的正常發育。AtSAMS過表達植物（SAMOE）表現出花器官異常，包括花瓣、萼片和雄蕊數量減少或增加，以及雌蕊發育不全等現象。研究揭示了DNA甲基化水平的降低和乙烯含量的增加是導致這些異常的關鍵因子，并進一步探討了AtSAMS如何通過甲基化和乙烯信號通路調控ABCE基因的表達，從而影響花器官發育。相關研究成果以《AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway》為題發表于《Plant Science》期刊。
標題：AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway（AtSAMS 通過DNA甲基化和乙烯信號通路調控花器官發育）
發表期刊：Plant Science（IF 5.2/Q2）
技術平臺：WGBS、RNA-seq
本研究分析結果揭示了擬南芥中AtSAMS過表達植物的花器官異常發育由DNA去甲基化和乙烯信號通路共同引起。在SAMOE（AtSAMS過表達植物）中，全基因組DNA甲基化水平降低，乙烯含量增加。用DNA甲基化抑制劑處理的野生型植物表現出與SAMOE相似的表型和乙烯水平，這表明DNA去甲基化增強了乙烯的生物合成，從而導致花器官異常發育。DNA去甲基化和乙烯含量的增加導致了ABCE基因表達變化，而這些基因對于花器官的發育至關重要。此外，ACE基因的轉錄水平與其甲基化水平高度相關，但B基因下調可能與去甲基化無關，而由乙烯信號通路獨立引起。SAMS介導的甲基化和乙烯信號通路可能在花器官發育過程中存在相互作用。綜上所述，本研究結果表明，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路調控花器官發育。
圖形摘要：擬南芥中AtSAMS調控花器官發育的假定工作模型。
該模型提出，AtSAMS通過甲基化和乙烯信號通路調控花器官。作為乙烯合成的前體，SAM還作為甲基供體（me）參與甲基化反應。PPi表示焦磷酸鹽；Pi表示磷酸鹽。ACSs表示1-氨基環丙烷-1-羧酸合成酶。ERFs表示乙烯響應因子。
研究方法
植物材料：使用擬南芥（Columbia-0）作為實驗材料，通過構建AtSAMS1和AtSAMS2過表達轉基因植物（SAMOE）進行研究。
全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）：通過WGBS技術分析SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平，比較野生型（WT）和SAMOE植物的甲基化差異。
RNA測序（RNA-seq）：通過RNA-seq分析SAMOE植物的轉錄組變化，檢測ABCE基因及其他基因的表達水平。
實時熒光定量PCR（qRT-PCR）：驗證RNA-seq結果，分析特定基因的表達變化。
DNA甲基化敏感PCR（McrBC-qPCR）：檢測特定基因啟動子區域的甲基化水平。
代謝物測定：測定SAM、乙烯、多胺和煙酰胺等代謝物含量。
結果圖形
（1）AtSAMS過表達（SAMOE）導致花器官異常
SAMOE植物表現出多種花器官異常，包括萼片轉化為雌蕊、花瓣和雄蕊數量減少等，與ABCE基因突變體或過表達株系的表型相似。
圖1：擬南芥中AtSAMS過表達導致異常的花器官表型。
（A）AtSAMS過表達植物（SAMOE）鑒定。
（B）WT、S1OE和S2OE中異常花器官（包括所有異常類型）比例。
（C）SAMOE中的異常花器官表型。（a）野生型（WT）。（b）形成次級花，花瓣缺失。（c、d、e）萼片轉化為雌蕊且雌蕊數量增加；萼片、花瓣和雄蕊數量減少。（f）雌蕊融合不完全。（g）葉狀萼片，雄蕊發育成雌蕊。（e、h）花瓣數量減少或增加。
（D）qRT-PCR分析對WT和SAMOE中的ABCE基因進行定量分析。
（E）WT和SAMOE中S-腺苷甲硫氨酸（SAM）含量比較分析。
（2）SAMOEa植物全基因組低甲基化導致花器官異常
WGBS結果顯示，SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平顯著降低，特別是在CHG和CHH序列環境中，從而導致花器官異常。
（A）WT和SAMOE的平均甲基化率比較。
（B-C）SAMOE中參與DNA甲基化過程的基因表達水平（SAMOE與WT相比）。
（3）A、C和E基因的甲基化水平發生變化，但B基因沒有變化
WGBS和McrBC-qPCR結果表明，A、C和E功能基因的甲基化水平變化與它們的表達水平顯著相關，而B功能基因的表達變化與甲基化無關。
圖3：DNA去甲基化對擬南芥花器官的影響。
（A）5′-Aza處理或模擬處理的野生型（WT）擬南芥的花器官。（a）模擬處理（Mock）。（b-g）5′-Aza處理。（a′-e′）相應的解剖結構。
（B）在模擬處理和5′-Aza處理的花序樣本中，對基因啟動子區域進行McrBC-qPCR分析。甲基化的DNA可以被McrBC酶消化，因此更高的qRT-PCR信號表示更低的甲基化水平。
（C）通過qRT-PCR分析對模擬處理和5′-Aza處理的花序中的ABCE基因進行定量分析。
表1：ABCE基因轉錄與甲基化水平的相關性分析。
（4）SAMOE植物ABCE基因表達水平的變化
RNA-seq和qRT-PCR結果顯示，SAMOE植物中A功能基因（AP1和AP2）和B功能基因（AP3和PI）表達下調，而C功能基因（AG）和E功能基因（SEP1、SEP2和SEP3）表達上調。
（C）在WT和SAMOE樣本中對ABCE基因啟動子區域進行McrBC-qPCR分析。
（D）WT和SAMOE中差異表達基因（DEGs）的熱圖。
（E-F）SAMOE中ABCE基因的表達水平。
（5）乙烯參與調控SAMOE植物中雄蕊和雌蕊的發育
SAMOE植物的乙烯含量顯著高于WT植物，而多胺和煙酰胺含量變化不大。外源乙烯處理（ethephon）的WT植物表現出與SAMOE相似的花器官異常，且B功能基因表達下調，C功能基因表達上調，但這些基因的甲基化水平未發生變化。
圖5：乙烯對擬南芥花器官的影響。
（A）野生型和SAMOE中乙烯含量的比較。
（B-C）SAMOE中參與乙烯和煙酰胺（NA）合成的基因表達情況（SAMOE與WT相比）。
（D）用乙烯利處理的野生型（WT）的花器官表型。（a）模擬處理（Mock）。（b-e）乙烯利處理。（a′-c′）相應的解剖結構。
（E）通過qRT-PCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中ABCE基因表達。
（F）通過McrBC-qPCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中B功能和C功能基因啟動子區域甲基化水平。
易小結
本研究利用WGBS和對應的RNA-seq揭示了AtSAMS通過調控DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官發育。SAMOE植物中SAM含量增加，導致DNA甲基化水平降低和乙烯含量增加。DNA甲基化降低改變了ABCE基因的表達模式，從而影響花器官的正常發育。此外，乙烯信號通路也可能通過非甲基化依賴的方式調控B功能基因的表達。研究提出了一個模型，即AtSAMS通過調節SAM分配，在DNA甲基化和乙烯生物合成之間建立聯系，進而調控花器官發育。
WGBS和RNA-seq在本研究中的重要作用
WGBS：提供了SAMOE植物全基因組DNA甲基化水平的高分辨率圖譜，揭示了甲基化水平的全局變化。通過分析ABCE基因的甲基化水平，發現A、C和E功能基因的甲基化水平與它們的表達變化密切相關，而B功能基因的甲基化水平未發生變化。結合RNA-seq數據，揭示了DNA甲基化水平降低與基因表達下調之間的聯系，為理解AtSAMS調控花器官發育的分子機制提供了重要線索。
RNA-seq：全面分析了SAMOE植物與WT植物的轉錄組差異，鑒定出大量差異表達基因（DEGs），揭示了SAMOE植物中基因表達的整體下調趨勢。通過分析ABCE基因的表達變化，證實了SAMOE植物中這些關鍵基因的表達模式改變，并與花器官異常發育密切相關。發現SAMOE植物中乙烯生物合成相關基因（如ACS2/5/7/8/11）表達上調，而多胺和煙酰胺合成相關基因表達變化不大，進一步支持了乙烯在花器官發育異常中的關鍵作用。
參考文獻：
Hu W, Hu S, Li S, Zhou Q, Xie Z, Hao X, Wu S, Tian L, Li D. AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway. Plant Sci. 2023 Sep;334:111767. pii: S0168-9452(23)00184-X. doi: 10.1016/j.plantsci.2023.111767.
近日，湖南師范大學生命科學學院胡文俐博士等為第一作者，李東屏教授、田連福博士為共同通訊以擬南芥為研究對象，探討了擬南芥S-腺苷甲硫氨酸合成酶（AtSAMS）對花器官發育的調控機制。研究發現，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官的正常發育。AtSAMS過表達植物（SAMOE）表現出花器官異常，包括花瓣、萼片和雄蕊數量減少或增加，以及雌蕊發育不全等現象。研究揭示了DNA甲基化水平的降低和乙烯含量的增加是導致這些異常的關鍵因子，并進一步探討了AtSAMS如何通過甲基化和乙烯信號通路調控ABCE基因的表達，從而影響花器官發育。相關研究成果以《AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway》為題發表于《Plant Science》期刊。
標題：AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway（AtSAMS 通過DNA甲基化和乙烯信號通路調控花器官發育）
技術平臺：WGBS、RNA-seq
本研究分析結果揭示了擬南芥中AtSAMS過表達植物的花器官異常發育由DNA去甲基化和乙烯信號通路共同引起。在SAMOE（AtSAMS過表達植物）中，全基因組DNA甲基化水平降低，乙烯含量增加。用DNA甲基化抑制劑處理的野生型植物表現出與SAMOE相似的表型和乙烯水平，這表明DNA去甲基化增強了乙烯的生物合成，從而導致花器官異常發育。DNA去甲基化和乙烯含量的增加導致了ABCE基因表達變化，而這些基因對于花器官的發育至關重要。此外，ACE基因的轉錄水平與其甲基化水平高度相關，但B基因下調可能與去甲基化無關，而由乙烯信號通路獨立引起。SAMS介導的甲基化和乙烯信號通路可能在花器官發育過程中存在相互作用。綜上所述，本研究結果表明，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路調控花器官發育。
圖形摘要：擬南芥中AtSAMS調控花器官發育的假定工作模型。
該模型提出，AtSAMS通過甲基化和乙烯信號通路調控花器官。作為乙烯合成的前體，SAM還作為甲基供體（me）參與甲基化反應。PPi表示焦磷酸鹽；Pi表示磷酸鹽。ACSs表示1-氨基環丙烷-1-羧酸合成酶。ERFs表示乙烯響應因子。
研究方法
植物材料：使用擬南芥（Columbia-0）作為實驗材料，通過構建AtSAMS1和AtSAMS2過表達轉基因植物（SAMOE）進行研究。
全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）：通過WGBS技術分析SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平，比較野生型（WT）和SAMOE植物的甲基化差異。
RNA測序（RNA-seq）：通過RNA-seq分析SAMOE植物的轉錄組變化，檢測ABCE基因及其他基因的表達水平。
實時熒光定量PCR（qRT-PCR）：驗證RNA-seq結果，分析特定基因的表達變化。
DNA甲基化敏感PCR（McrBC-qPCR）：檢測特定基因啟動子區域的甲基化水平。
代謝物測定：測定SAM、乙烯、多胺和煙酰胺等代謝物含量。
結果圖形
（1）AtSAMS過表達（SAMOE）導致花器官異常
SAMOE植物表現出多種花器官異常，包括萼片轉化為雌蕊、花瓣和雄蕊數量減少等，與ABCE基因突變體或過表達株系的表型相似。
圖1：擬南芥中AtSAMS過表達導致異常的花器官表型。
（B）WT、S1OE和S2OE中異常花器官（包括所有異常類型）比例。
（C）SAMOE中的異常花器官表型。（a）野生型（WT）。（b）形成次級花，花瓣缺失。（c、d、e）萼片轉化為雌蕊且雌蕊數量增加；萼片、花瓣和雄蕊數量減少。（f）雌蕊融合不完全。（g）葉狀萼片，雄蕊發育成雌蕊。（e、h）花瓣數量減少或增加。
（D）qRT-PCR分析對WT和SAMOE中的ABCE基因進行定量分析。
（E）WT和SAMOE中S-腺苷甲硫氨酸（SAM）含量比較分析。
（2）SAMOEa植物全基因組低甲基化導致花器官異常
WGBS結果顯示，SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平顯著降低，特別是在CHG和CHH序列環境中，從而導致花器官異常。
圖2：SAMOE中DNA甲基化相關基因的甲基化率和表達水平。
（A）WT和SAMOE的平均甲基化率比較。
（B-C）SAMOE中參與DNA甲基化過程的基因表達水平（SAMOE與WT相比）。
（3）A、C和E基因的甲基化水平發生變化，但B基因沒有變化
WGBS和McrBC-qPCR結果表明，A、C和E功能基因的甲基化水平變化與它們的表達水平顯著相關，而B功能基因的表達變化與甲基化無關。
圖3：DNA去甲基化對擬南芥花器官的影響。
（B）在模擬處理和5′-Aza處理的花序樣本中，對基因啟動子區域進行McrBC-qPCR分析。甲基化的DNA可以被McrBC酶消化，因此更高的qRT-PCR信號表示更低的甲基化水平。
（C）通過qRT-PCR分析對模擬處理和5′-Aza處理的花序中的ABCE基因進行定量分析。
表1：ABCE基因轉錄與甲基化水平的相關性分析。（4）SAMOE植物ABCE基因表達水平的變化
RNA-seq和qRT-PCR結果顯示，SAMOE植物中A功能基因（AP1和AP2）和B功能基因（AP3和PI）表達下調，而C功能基因（AG）和E功能基因（SEP1、SEP2和SEP3）表達上調。
圖4：SAMOE中ABCE基因的甲基化和表達水平。
（A-B）WT和SAMOE中ABCE基因的甲基化水平的全基因組亞硫酸鹽測序（WGBS-seq）數據。（C）在WT和SAMOE樣本中對ABCE基因啟動子區域進行McrBC-qPCR分析。
（D）WT和SAMOE中差異表達基因（DEGs）的熱圖。
（E-F）SAMOE中ABCE基因的表達水平。
（5）乙烯參與調控SAMOE植物中雄蕊和雌蕊的發育
SAMOE植物的乙烯含量顯著高于WT植物，而多胺和煙酰胺含量變化不大。外源乙烯處理（ethephon）的WT植物表現出與SAMOE相似的花器官異常，且B功能基因表達下調，C功能基因表達上調，但這些基因的甲基化水平未發生變化。
圖5：乙烯對擬南芥花器官的影響。
（B-C）SAMOE中參與乙烯和煙酰胺（NA）合成的基因表達情況（SAMOE與WT相比）。
（D）用乙烯利處理的野生型（WT）的花器官表型。（a）模擬處理（Mock）。（b-e）乙烯利處理。（a′-c′）相應的解剖結構。
（E）通過qRT-PCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中ABCE基因表達。
（F）通過McrBC-qPCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中B功能和C功能基因啟動子區域甲基化水平。
易小結
本研究利用WGBS和對應的RNA-seq揭示了AtSAMS通過調控DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官發育。SAMOE植物中SAM含量增加，導致DNA甲基化水平降低和乙烯含量增加。DNA甲基化降低改變了ABCE基因的表達模式，從而影響花器官的正常發育。此外，乙烯信號通路也可能通過非甲基化依賴的方式調控B功能基因的表達。研究提出了一個模型，即AtSAMS通過調節SAM分配，在DNA甲基化和乙烯生物合成之間建立聯系，進而調控花器官發育。
WGBS和RNA-seq在本研究中的重要作用
WGBS：提供了SAMOE植物全基因組DNA甲基化水平的高分辨率圖譜，揭示了甲基化水平的全局變化。通過分析ABCE基因的甲基化水平，發現A、C和E功能基因的甲基化水平與它們的表達變化密切相關，而B功能基因的甲基化水平未發生變化。結合RNA-seq數據，揭示了DNA甲基化水平降低與基因表達下調之間的聯系，為理解AtSAMS調控花器官發育的分子機制提供了重要線索。
RNA-seq：全面分析了SAMOE植物與WT植物的轉錄組差異，鑒定出大量差異表達基因（DEGs），揭示了SAMOE植物中基因表達的整體下調趨勢。通過分析ABCE基因的表達變化，證實了SAMOE植物中這些關鍵基因的表達模式改變，并與花器官異常發育密切相關。發現SAMOE植物中乙烯生物合成相關基因（如ACS2/5/7/8/11）表達上調，而多胺和煙酰胺合成相關基因表達變化不大，進一步支持了乙烯在花器官發育異常中的關鍵作用。
參考文獻：
Hu W, Hu S, Li S, Zhou Q, Xie Z, Hao X, Wu S, Tian L, Li D. AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway. Plant Sci. 2023 Sep;334:111767. pii: S0168-9452(23)00184-X. doi: 10.1016/j.plantsci.2023.111767.
Copyright(C) 1998-2025 生物器材網 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com