研究揭示DNA甲基化通过NaNAC72调控烟草生物碱的生物合成
文章导读
植物体内竟藏着一套精密的防御密码！中科院团队最新研究发现，DNA甲基转移酶NaDRM2-like2通过调控因子NaNAC72，竟能精准控制烟草尼古丁合成。当关键甲基转移酶被沉默时，NaNAC72启动子甲基化异常升高，导致其表达暴增3倍以上——这个新发现的“刹车因子”会强力抑制尼古丁合成酶基因活性，使烟草抗虫能力断崖式下跌。但反转来了：敲除NaNAC72可使尼古丁飙升42%，相当于给增产引擎！这项颠覆性研究不仅解码了植物抗虫的表观遗传密钥，更为培育尼古丁可控的烟草品种提供了革命性武器。
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DNA甲基化是一种保守的表观修饰，它可以调控很多基因的表达。尼古丁是烟草属植物中含量最丰富的生物碱，在抵御植食性昆虫方面发挥着关键作用。此前研究表明，二倍体野生烟草中多数根特异性表达的尼古丁相关基因共享“DNA甲基化谷”特征。目前尚缺乏DNA甲基化调控尼古丁的系统研究。
中国科学院昆明植物研究所探究了烟草属植物中DNA甲基转移酶的作用，发现沉默不同DNA甲基转移酶基因对尼古丁合成相关基因表达影响不同，其中NaDRM2-like2沉默后关键酶基因NaPMTs及调控基因NaERF1-like表达显著降低。通过CRISPR/Cas9构建的NaDRM2-like2突变体，表现出尼古丁合成相关基因（NaPMTs、NaA622和NaERF1-like等）表达下调、叶片中尼古丁含量减少及对广食性害虫斜纹夜蛾更敏感的表型。
为揭示突变体尼古丁减少的原因，研究通过全基因组重亚硫酸氢盐测序和RNA测序，在14个差异甲基化的转录因子与72个差异表达的转录因子中筛选到一个共有基因——NaNAC72。在突变体中，其启动子甲基化升高，同时表达量升高3倍以上。共表达分析显示，NaNAC72与根特异性表达的尼古丁相关基因呈强负相关。
进一步功能验证显示，CRISPR/Cas9敲除NaNAC72可使叶片中尼古丁含量增加35%—42%，而过表达NaNAC72则抑制尼古丁合成相关基因表达并降低叶片尼古丁含量。凝胶阻滞实验与染色质免疫沉淀实验证实，NaNAC72可直接结合尼古丁关键合成酶基因NaPMT1.1及关键调控基因NaERF1-like的启动子，抑制其转录活性。
研究表明，DNA甲基转移酶基因的沉默会影响尼古丁相关基因表达，NaNAC72是尼古丁生物合成的新负调控因子。该发现为解析防御代谢物的表观遗传调控机制及培育尼古丁含量可控的烟草品种提供了新视角与靶点。
相关研究成果以Transcriptional Activation of NaNAC72 Suppresses Nicotine Biosynthesis in DNA Methyltransferase NaDRM2-like2 Mutants of Nicotiana attenuata为题，发表在《植物生物技术杂志》（Plant Biotechnology Journal）上。
研究工作得到了云南基础研究重大计划等的支持。
研究揭示DNA甲基化通过NAC72调控烟草生物碱的生物合成
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这研究太硬核了，表观遗传还能这么玩！👍