《Journal of Chemical Ecology》：Sulforaphane, A Mustard Oil Bomb Product, Reprograms Herbivore Gene Expression and Alters Chromatin Structure Across Generations
编辑推荐：
：萝卜硫素（Sulforaphane，SFN）是十字花科植物芥子油弹防御系统产生的异硫氰酸酯类化合物，是I类和II类组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）的天然抑制剂。研究人员此前已证实，膳食SFN可抑制农业害虫甜菜夜蛾（Sp
：萝卜硫素（Sulforaphane，SFN）是十字花科植物芥子油弹防御系统产生的异硫氰酸酯类化合物，是I类和II类组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）的天然抑制剂。研究人员此前已证实，膳食SFN可抑制农业害虫甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）和粉纹夜蛾（Trichoplusia ni）的HDAC活性，延缓幼虫发育，并改变超过1，600个基因的表达。本研究进一步探讨了这些反应背后的机制及其是否具有跨代效应。RNA-seq分析揭示，SFN迅速扰乱了体细胞组织和生殖系组织中基因表达的正常发育进程。ATAC-seq分析表明，甜菜夜蛾中这些转录变化伴随广泛的染色质可及性改变。在该物种中，研究人员检测到能量代谢相关基因受到抑制，这与观察到的发育延缓一致。研究人员观察到，尽管子代从未自身摄入SFN，但暴露昆虫的后代中许多SFN诱导的染色质可及性和基因表达变化仍然持续存在。这些发现证明，SFN通过染色质相关机制改变发育过程中的转录程序，并具有跨代效应。研究人员提出，SFN以及自然界中植物产生的其他HDAC抑制剂，可能作为一种“表观遗传武器”，具有跨代影响植食性昆虫基因表达的潜力。
论文解读
一、研究背景与科学问题
“表观遗传学”一词由Conrad Waddington于1942年提出，用以描述连接基因型与表型之间的发育过程。在其著名的图示中，发育被想象为一个球体在表观遗传景观中沿着分支通道滚向不同的命运终点。半个多世纪以来，化学生态学家主要研究植物代谢物如何改变植食性昆虫的发育、行为、生理及最终适合度，即植物化学如何影响该表观遗传景观中的轨迹。然而，相对较少的研究关注植物代谢物是否直接靶向塑造这些通道的分子系统。Waddington将这些系统称为“倾向”，并将其想象为连接基因与表观遗传景观底面的拉索。如今，这些拉索被理解为包括基因调控网络、染色质结构、表观遗传修饰、转录因子等决定基因表达模式的机制。
十字花科植物的芥子油弹防御系统是一种研究充分的抗植食化学防御。组织损伤触发黑芥子酶与硫代葡萄糖苷混合，生成有毒的腈类、异硫氰酸酯、硫氰酸酯等产物。其中，脂肪族硫代葡萄糖苷萝卜硫苷可被转化为萝卜硫素（SFN）。SFN具有作为动物I类和II类组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂的独特性质，这在生物医学领域已被广泛研究。相比之下，SFN在植物-植食性昆虫互作中的生态效应仍知之甚少，尤其是其作为天然HDAC抑制剂作用于昆虫表观遗传调控的潜在角色。
研究人员此前已证明，天然浓度的膳食SFN可抑制甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）的HDAC酶活性，但粉纹夜蛾（Trichoplusia ni）则不受明显影响。SFN对甜菜夜蛾的后果显著：摄入SFN改变了脂肪体组织中超过1，600个基因的表达，并将幼虫发育延缓50%。相比之下，SFN对粉纹夜蛾的影响明显较弱，这可能与该物种具有高度活跃的谷胱甘肽解毒系统有关。本研究旨在探索SFN如何影响这些植食性昆虫的表观遗传系统及其后代，具体测试膳食SFN改变染色质可及性、扰乱基因表达并跨两代延缓发育的潜力。如果SFN触发染色质的亚稳定修饰并传递给后代，则可视为跨代效应，这将超越直接暴露世代，塑造植物-植食性昆虫的相互作用。
二、研究设计与主要技术方法
研究人员从Benzon Research获得一龄幼虫，在含抗生素的人工饲料中于25°C、50%湿度条件下单独饲养。实验使用70 mM SFN（与自然取食十字花科植物叶片时摄入的浓度相当）和330 μM曲古抑菌素A（TSA，一种更强的药物性HDAC抑制剂作为阳性对照）。在多代实验中，第一代幼虫在相同条件下同时饲养，允许部分幼虫化蛹、羽化为成虫并在处理组内交配，第二代幼虫在不含HDAC抑制剂的人工饲料上饲养。
关键技术方法包括：RNA-seq分析（使用HISAT2比对至各自物种参考基因组，DESeq2进行差异表达分析，eggNOG进行功能注释，topGO进行GO富集分析）；ATAC-seq分析（使用ENCODE ATAC-seq流程处理，MACS2识别峰，DiffBind进行差异可及性分析，ChIPseeker进行基因组特征注释）。
三、研究结果
实验1：SFN延缓幼虫发育过程中基因表达的时序波动
研究人员在甜菜夜蛾和粉纹夜蛾幼虫开始摄入SFN后第3、5、7、9天测量脂肪体组织的差异基因表达。在甜菜夜蛾中，2，264个基因被分为三个簇。簇SE1包含840个基因，通常在幼虫发育过程中表达增加但被SFN扰乱，富含能量代谢相关基因（氧化磷酸化、电子传递、ATP合成、糖酵解、TCA循环）以及翻译和肽生物合成途径基因，表明SFN抑制能量产生相关基因。簇SE2包含742个通常在发育早期表达的基因被SFN抑制，富含几丁质代谢、表皮发育、上皮形态发生和组织发育相关基因。簇SE3包含通常表达下降但被SFN异常上调的基因，富含信号传导和发育调控相关基因。在粉纹夜蛾中鉴定出1，272个受SFN影响的基因，分为三个簇：TN1（649个基因，与表皮形成和组织分化相关）、TN2（266个基因，与脂质代谢和氧化还原过程相关）、TN3（357个基因，与广泛的酶促和生物合成活性相关）。这些结果表明SFN在暴露后3-9天内迅速改变幼虫基因表达的正常模式，影响超过1，000个基因，且大多数变化在第9天开始部分恢复。
实验2：SFN对生殖系组织的影响
SFN同样扰乱了两种雌虫卵巢中的基因表达。在摄入SFN或TSA的幼虫卵巢中，甜菜夜蛾有546个基因表达改变，粉纹夜蛾有3，597个基因表达改变。SFN和TSA对卵巢组织有相似效应。两种物种均表现出细胞周期调控、DNA修复、RNA加工和翻译相关基因的上调，但只有粉纹夜蛾表现出线粒体转运和氧化磷酸化相关基因的上调，这与甜菜夜蛾脂肪体中能量产生途径持续下调的反应相反，可能与该物种增强的解毒能力有关。关键结论是膳食摄入的SFN影响了两种物种生殖系组织的基因表达。
实验3：SFN的跨代影响
研究人员在甜菜夜蛾中测试了跨代效应。ATAC-seq分析显示，亲代暴露于SFN改变了两代的染色质可及性。第一代摄入SFN的幼虫中鉴定出26个差异可及区域（DARs），其中一半开放性增加、一半降低。在未摄入SFN的子代中鉴定出271个DARs（181个更开放，91个更封闭）。亲代中SFN诱导的染色质可及性变化主要位于远端调控元件，而子代中差异区域数量十倍于亲代且主要位于启动子和内含子等基因附近区域。
RNA-seq分析表明，SFN暴露亲代的后代中324个基因的表达持续改变，约占亲代受影响基因的20%。持续诱导的基因与表皮重塑、脂质代谢和神经发育相关，持续抑制的基因与硫代谢、氧化还原反应和应激信号传导相关。值得注意的是，SFN的跨代效应甚至强于药物性HDAC抑制剂TSA，即更多基因“记住”了SFN的影响。在粉纹夜蛾中，两个独立实验均未发现跨代效应的证据，符合该物种对SFN反应微弱或缺失的预期。
四、讨论与结论
研究发现，摄入SFN改变了染色质可及性、扰乱了约1，800个基因的表达（约占转录组的10%），并延缓了甜菜夜蛾的发育。SFN抑制了能量产生途径（丙酮酸代谢、氧化磷酸化、TCA循环、糖酵解和糖异生）相关基因，这有助于解释该物质如何将幼虫发育延缓高达50%。这些影响可能源于SFN作为芥子油弹反应中产生的天然HDAC抑制剂活性，但SFN具有多种分子靶点，包括其他染色质修饰酶和途径，也可能促成此反应。
SFN还影响了生殖系组织，改变两种物种卵巢中数百个基因的表达，这些变化与广泛的染色质可及性改变相关。最终，研究人员证明染色质可及性和基因表达的变化可以在从未暴露于SFN的后代中持续存在。这表明十字花科植物可以利用SFN破坏植食性昆虫的表观遗传系统，即从下方重塑Waddington的表观遗传景观轮廓。这些数据确认了跨代效应的存在，提出SFN以及自然界中植物产生的其他HDAC抑制剂可能作为“表观遗传武器”，具有跨代影响植食性昆虫基因表达的潜力，为理解植物-昆虫相互作用的生态与进化动态提供了新的视角。
