光通过SlDML2介导的全局DNA去甲基化作用调控番茄果实的代谢组

《Journal of Integrative Plant Biology》：Light regulates tomato fruit metabolome via SlDML2-mediated global DNA demethylation

番茄光信号调控代谢和成熟的分子机制研究。通过构建TomLED数据库，发现红光和蓝光补充加速番茄代谢变化和成熟进程，SlDML2介导的全基因组DNA去甲基化是关键机制，SlHY5通过结合G框激活SlDML2表达。揭示了光调控表观遗传与代谢的分子通路。

　　植物通过感知和响应外界的光信号，能够调整其生长发育过程以及代谢网络的调控，这一现象在农业实践中具有重要的应用价值。光不仅作为植物的主要能量来源，还是一种关键的环境信号，影响着植物的形态发生、代谢活动和抗逆反应。然而，光信号如何通过调控植物的表观遗传机制来影响代谢过程，仍然是一个值得深入研究的问题。本研究以番茄为模型，系统地揭示了光信号如何通过调控DNA去甲基化过程，进而影响果实的代谢和成熟过程，这为理解植物对光信号的响应机制提供了新的视角。

番茄果实的成熟过程与多种代谢变化密切相关，如类胡萝卜素和黄酮类化合物的合成、细胞壁降解、乙烯的产生以及防御性化合物的抑制。这些变化在不同光条件下表现出显著的差异。例如，补充红光或蓝光能够显著促进果实中类胡萝卜素和黄酮类物质的积累，进而影响果实的颜色和风味。此外，光信号还能够调控与果实成熟相关的基因表达，如SlRIN、SlNOR和SlCNR等转录因子，这些基因在番茄果实成熟过程中起着关键作用。然而，光信号如何具体调控这些基因的表达，以及其背后的表观遗传机制，仍然缺乏深入研究。

本研究通过建立“番茄光诱导表达数据库”（TomLED），整合了番茄果实在不同光条件下的代谢组和转录组数据，并结合全基因组DNA甲基化分析，揭示了光信号如何通过调控DNA去甲基化基因SlDML2，进而影响基因表达和代谢变化。研究发现，SlDML2的表达受到关键光信号转录因子SlHY5的直接调控，而SlHY5又由光受体SlPHYB2和SlCRY1a激活。在补充红光或蓝光的条件下，SlDML2的表达水平显著增加，导致全基因组DNA甲基化水平下降，从而促进了与果实成熟和代谢相关的基因的表达。

此外，研究还发现，光信号通过影响DNA甲基化，能够调节番茄果实中多个代谢通路的表达。例如，类胡萝卜素合成基因、黄酮类合成基因、乙烯合成相关基因以及细胞壁降解基因的表达均受到光信号的调控。通过实验验证，SlHY5不仅能够直接调控SlDML2的表达，还能通过其结合的G-box元件影响DNA甲基化水平，进而调控基因表达。这些结果表明，光信号通过激活SlHY5，进而调控SlDML2的表达，从而影响全基因组DNA甲基化，促进果实成熟和代谢变化。

在实验方法上，本研究采用了多种高通量技术，包括非靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析、RNA测序（RNA-seq）、酵母单杂交（Y1H）筛选、DNA亲和纯化测序（DAP-Seq）以及染色质免疫共沉淀-定量PCR（ChIP-qPCR）等。这些方法的结合使得研究能够全面解析光信号对番茄果实代谢和表观遗传调控的影响。例如，通过k-means聚类分析，研究人员发现红光和蓝光条件下的代谢物和基因表达模式显著提前，这表明光信号能够加速果实代谢过程。通过自组织映射（SOM）分析，研究人员进一步确认了SlDML2与多个关键代谢和成熟相关基因的共表达关系，表明SlDML2在调控这些基因的表达中起着重要作用。

在实验设计方面，研究人员对番茄植株进行了不同光条件的处理，包括红光（RLS）和蓝光（BLS）补充实验，以评估其对果实代谢和成熟的影响。在这些实验中，研究人员观察到，红光和蓝光均能显著促进果实的成熟过程，但其影响的代谢通路有所不同。例如，蓝光对黄酮类物质的合成具有更强的促进作用，而红光则对类胡萝卜素的积累有更明显的影响。此外，通过构建SlHY5的RNAi植株和SlDML2的Cas9敲除突变体，研究人员进一步验证了SlHY5和SlDML2在光信号调控中的关键作用。这些实验结果表明，SlHY5是连接光信号与DNA去甲基化的重要桥梁，而SlDML2则是调控DNA甲基化变化的关键基因。

研究还发现，光信号通过调控DNA甲基化，影响了番茄果实的代谢和成熟过程。例如，在补充红光或蓝光的条件下，SlDML2的表达水平显著上升，导致其下游基因的表达被提前激活，从而加快了果实的成熟过程。通过全基因组DNA甲基化分析，研究人员进一步确认了红光和蓝光如何影响DNA甲基化水平，特别是在启动子区域的CG和CHG甲基化水平显著降低，这表明光信号能够通过去甲基化过程调控基因表达。此外，SlHY5的表达也受到光信号的调控，其表达水平在红光和蓝光条件下显著增加，而这种增加又依赖于SlDML2的调控作用。

在农业应用方面，研究结果为优化番茄的生长条件提供了理论依据。通过调控光信号，可以有效促进番茄果实的成熟过程，提高果实的品质和产量。例如，补充红光或蓝光能够显著改变番茄果实的代谢物组成，使其颜色更加鲜艳，风味更加浓郁。此外，研究还发现，光信号能够通过调控DNA甲基化，影响番茄果实的成熟时间，从而为农业上的精准调控提供新的思路。例如，在光信号调控下，番茄果实的成熟时间可以显著缩短，这可能有助于提高农业生产效率，减少资源浪费。

综上所述，本研究揭示了光信号如何通过调控DNA去甲基化基因SlDML2，进而影响番茄果实的代谢和成熟过程。这一发现不仅加深了我们对植物表观遗传调控机制的理解，也为农业生产中的光环境优化提供了新的理论支持和实践指导。未来的研究可以进一步探索不同光信号如何影响其他作物的代谢和成熟过程，从而为提高作物产量和品质提供更广泛的理论基础。