光信號通過調控DNA甲基化進而影響植物整體代謝網絡的全新機制
2025年10月23日，四川大學張陽教授團隊在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技術闡明了番茄中“光信號—SlHY5—SlDML2—DNA甲基化—果實代謝”的調控鏈條，揭示了光信號通過調控DNA甲基化進而影響植物整體代謝網絡的全新機制。藍景科信為該研究提供了DAP-seq技術支持。
光是植物主要的能量來源，同時也是一種至關重要的環(huán)境因子，具有廣泛的生物學功能。在現代農業(yè)系統中，調節(jié)光配方（包括光周期、光照強度和光質）已被公認為是加快植物生長速度、提高產量或改善品質的關鍵手段。目前，在解析光影響植物生長發(fā)育的分子機制方面已取得顯著進展，但表觀遺傳調控在光響應中的作用機制尚未明確。
主要研究結果
核心發(fā)現一：多組學+數據庫構建——解析光質對果實代謝的全局調控
為系統探究光質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%藍光（BLS）補充照明，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。進一步RNA-seq分析篩選出3615個光響應基因，其中類胡蘿卜素合成關鍵基因（SlGGPPS2、SlPSY1、SlPDS）、乙烯合成基因（SlACS2、SlACO1）、細胞壁降解基因（SlEXP1、SlPG2A）在RLS/BLS處理下提前激活。
為系統探究光質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%藍光（BLS）補充照明，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。進一步RNA-seq分析篩選出3615個光響應基因，其中類胡蘿卜素合成關鍵基因（SlGGPPS2、SlPSY1、SlPDS）、乙烯合成基因（SlACS2、SlACO1）、細胞壁降解基因（SlEXP1、SlPG2A）在RLS/BLS處理下提前激活。
圖1 補充紅光（RLS）或補充藍光（BLS）誘導番茄果實發(fā)生顯著代謝變化
核心發(fā)現二：基因功能驗證——鎖定光信號傳導與表觀調控關鍵因子
1、光受體：SlphyB2與SlCRY1a分別介導紅光與藍光響應
為明確光調控代謝的核心通路，本研究構建SlPHYB2-RNAi（紅光受體）與SlCRY1a-RNAi（藍光受體）轉基因番茄，對比其在RLS/BLS處理下的果實表型與基因表達差異。SlPHYB2-RNAi果實對RLS響應完全消失——類胡蘿卜素積累延遲7d，SlPSY1、SlACS2等基因表達量較野生型（WT）降低60%-80%；而SlCRY1a-RNAi果實對BLS響應缺失，類黃酮含量降至WT的30%，證明SlphyB2與SlCRY1a是紅光、藍光調控果實代謝的特異性受體。
為明確光調控代謝的核心通路，本研究構建SlPHYB2-RNAi（紅光受體）與SlCRY1a-RNAi（藍光受體）轉基因番茄，對比其在RLS/BLS處理下的果實表型與基因表達差異。SlPHYB2-RNAi果實對RLS響應完全消失——類胡蘿卜素積累延遲7d，SlPSY1、SlACS2等基因表達量較野生型（WT）降低60%-80%；而SlCRY1a-RNAi果實對BLS響應缺失，類黃酮含量降至WT的30%，證明SlphyB2與SlCRY1a是紅光、藍光調控果實代謝的特異性受體。
圖2 光受體SlPHYB2和SlCRY1a分別參與補充紅光和補充藍光介導的果實成熟加速過程
2、DNA去甲基化酶SlDML2：光誘導代謝的表觀調控核心
構建SlDML2-Cas9敲除突變體，檢測其在不同光處理下的果實成熟表型、基因表達及全基因組甲基化水平。結果顯示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，成熟相關基因（SlRIN、SlNOR、SlCNR）啟動子甲基化水平較WT升高40%-50%，且RLS/BLS誘導的甲基化降低效應完全消失；同時，類胡蘿卜素與類黃酮合成通路的關鍵基因表達被顯著抑制，證明SlDML2介導的全基因組去甲基化是光誘導果實代謝與成熟的必需環(huán)節(jié)。
構建SlDML2-Cas9敲除突變體，檢測其在不同光處理下的果實成熟表型、基因表達及全基因組甲基化水平。結果顯示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，成熟相關基因（SlRIN、SlNOR、SlCNR）啟動子甲基化水平較WT升高40%-50%，且RLS/BLS誘導的甲基化降低效應完全消失；同時，類胡蘿卜素與類黃酮合成通路的關鍵基因表達被顯著抑制，證明SlDML2介導的全基因組去甲基化是光誘導果實代謝與成熟的必需環(huán)節(jié)。
圖3 番茄光誘導表達數據庫（TomLED）數據的自組織映射分析圖
圖4 SlDML2調控的DNA甲基化參與光誘導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控的關鍵紐帶
研究團隊進一步以proSlDML2為誘餌進行了酵母單雜交篩選，鑒定出229個轉錄因子。然后以SlDML2為目標進行共表達分析，篩選得到12個轉錄因子，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，光信號調控因子）的表達被RLS或BLS顯著上調。推測SlHY5可能是SlDML2的互作因子。進一步實驗證實，SlHY5的表達受RLS和BLS顯著誘導，且該誘導效應依賴于光受體SlPHYB2和SlCRY1a。SlHY5是光信號促進果實成熟所必需的，其缺失會導致成熟過程受阻，且關鍵成熟基因（SlDML2、SlRIN、SlNOR、SlCNR）的表達顯著下調，且完全喪失對光信號的響應能力。以上結果表明SlHY5在SlDML2上游發(fā)揮作用，構建起光信號與DNA去甲基化之間的關鍵調控橋梁，而其表達也可在成熟過程中通過SlDML2介導的啟動子去甲基化進一步被誘導，形成雙向調控關系。
為進一步研究SlHY5分子機制，研究團隊進行DAP-seq分析，結果顯示SlHY5可直接結合SlDML2啟動子的G-box基序，且結合能力在 RLS/BLS 處理下提升2-3倍；ChIP-qPCR 、EMSA、Y1H進一步驗證了這一結合關系。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后激活效應消失。接著通過構建SlHY5-RNAi與SlHY5-Cas9突變體，發(fā)現突變體果實中SlDML2表達量較WT顯著下降，全基因組CG/CHG甲基化水平升高，RLS/BLS誘導的代謝加速效應完全喪失。以上結果證明，SlHY5通過直接結合并激活SlDML2，構建起光信號與DNA去甲基化之間的關鍵調控通路。
研究團隊進一步以proSlDML2為誘餌進行了酵母單雜交篩選，鑒定出229個轉錄因子。然后以SlDML2為目標進行共表達分析，篩選得到12個轉錄因子，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，光信號調控因子）的表達被RLS或BLS顯著上調。推測SlHY5可能是SlDML2的互作因子。進一步實驗證實，SlHY5的表達受RLS和BLS顯著誘導，且該誘導效應依賴于光受體SlPHYB2和SlCRY1a。SlHY5是光信號促進果實成熟所必需的，其缺失會導致成熟過程受阻，且關鍵成熟基因（SlDML2、SlRIN、SlNOR、SlCNR）的表達顯著下調，且完全喪失對光信號的響應能力。以上結果表明SlHY5在SlDML2上游發(fā)揮作用，構建起光信號與DNA去甲基化之間的關鍵調控橋梁，而其表達也可在成熟過程中通過SlDML2介導的啟動子去甲基化進一步被誘導，形成雙向調控關系。
為進一步研究SlHY5分子機制，研究團隊進行DAP-seq分析，結果顯示SlHY5可直接結合SlDML2啟動子的G-box基序，且結合能力在 RLS/BLS 處理下提升2-3倍；ChIP-qPCR 、EMSA、Y1H進一步驗證了這一結合關系。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后激活效應消失。接著通過構建SlHY5-RNAi與SlHY5-Cas9突變體，發(fā)現突變體果實中SlDML2表達量較WT顯著下降，全基因組CG/CHG甲基化水平升高，RLS/BLS誘導的代謝加速效應完全喪失。以上結果證明，SlHY5通過直接結合并激活SlDML2，構建起光信號與DNA去甲基化之間的關鍵調控通路。
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SlDML2基因表達，調控光介導番茄果實代謝變化
小結
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”級聯通路，調控番茄果實代謝組與成熟過程的分子機制。該發(fā)現不僅深化了對植物光信號與表觀遺傳互作的理解，也為通過光調控策略改善果蔬品質提供了理論依據與育種靶點。
圖7 紅光/藍光介導番茄果實代謝及成熟變化的作用模型
標簽：
DAP-seq
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