南湖新闻网讯（通讯员 冯珊）近日，我校果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室张帆教授课题组研究成果以“DNA methylation remodeled amino acids biosynthesis regulates flower senescence in carnation (Dianthus caryophyllus)”为题在New Phytologist发表。研究通过组学和分子生物学实验揭示了DNA甲基化修饰调控康乃馨鲜切花采后衰老的分子机理，拓展了人们对康乃馨鲜切花采后衰老分子机制的认识，为筛选和培育货架期和瓶插期延长的康乃馨新品种以及保鲜剂开发奠定了关键的理论基础并提供了重要的基因资源。
花卉是极其重要的园艺作物，在满足人们的精神需求、服务乡村振兴和美丽中国建设以及巩固拓展脱贫攻坚成果中发挥着越来越关键的作用。康乃馨（Carnation）学名为香石竹（Dianthus caryophyllus L.），是世界四大鲜切花和我国最重要的鲜切花之一，具有极高的观赏价值和经济价值。康乃馨同时也是一种典型的乙烯敏感性切花，被认为是研究乙烯调控鲜切花采后衰老，特别是花瓣衰老的模式植物。张帆教授课题组前期研究系统阐明了乙烯在转录水平、转录后水平和翻译后水平调控康乃馨花瓣衰老的分子机制（王妍等, 园艺学报, 2022; Xu et al, Plant Journal, 2021; Xu et al, Journal of Experimental Botany, 2022; Wang et al, Postharvest Biology and Technology, 2024; Wang et al, Plant Journal, 2023; Zhu et al, Plant Journal, 2023; Sun et al, Plant Biotechnology Journal, 2023），近期研究也首次揭示了表观遗传修饰如组蛋白甲基化修饰调控康乃馨花瓣衰老的分子机理（Feng et al, Plant Physiology, 2023），但对于其他表观遗传修饰是否及如何调控康乃馨花衰老仍知之甚少。
图1. DNA甲基化修饰水平在康乃馨花衰老过程中显著增加
为了分析其他表观遗传修饰如DNA甲基化修饰是否调控康乃馨花衰老，研究人员选取处于盛花期、乙烯处理24h和完全衰老期的康乃馨花瓣进行全基因组重亚硫酸盐测序。结果显示，基因启动子区域的CHH甲基化修饰在乙烯处理和完全衰老的康乃馨花瓣中明显提升（图1）。这说明，DNA甲基化修饰水平在康乃馨花衰老过程中显著增加。
图2. 沉默DcCARA和DcDHAD能够加速康乃馨花瓣的衰老进程
进一步研究发现，DNA甲基化修饰水平增加的区域主要位于代谢过程相关基因的启动子上，其中包含两个关键的氨基酸生物合成酶基因：精氨酸生物合成酶基因DcCARA和分支氨基酸生物合成酶基因DcDHAD，它们的表达量在乙烯处理和完全衰老的康乃馨花瓣中明显减少。通过VIGS技术瞬时沉默DcCARA和DcDHAD能够明显加速康乃馨花瓣的衰老进程，同时精氨酸和分支氨基酸的含量显著下降。体外施加精氨酸和分支氨基酸能够明显恢复DcCARA和DcDHAD沉默所导致的康乃馨花瓣衰老加速的表型（图2）。这些结果表明，氨基酸生物合成酶DcCARA和DcDHAD在调控康乃馨花衰老过程中行使着重要的功能。
图3. 沉默和过量表达DcROS1能够分别加速和延缓康乃馨花瓣的衰老进程
为了进一步探讨DNA甲基化修饰调控康乃馨花衰老的分子机制，研究人员分析了DNA甲基化修饰关键酶基因的表达模式，从中筛选到在乙烯处理和完全衰老的康乃馨花瓣中表达量显著下降的DNA去甲基化酶基因DcROS1。瞬时沉默DcROS1能够明显加速康乃馨花瓣的衰老进程，同时DcCARA和DcDHAD启动子区域的DNA甲基化修饰水平显著升高，表达量则明显减少；瞬时过量表达DcROS1能够明显延缓康乃馨花瓣的衰老进程，同时DcCARA和DcDHAD启动子区域的DNA甲基化修饰水平显著降低，表达量则明显增加（图3）。DcROS1沉默植株中精氨酸和分支氨基酸的含量显著下降，体外施加精氨酸和分支氨基酸也能够明显恢复DcROS1沉默所导致的康乃馨花瓣衰老加速的表型。这些结果说明，DNA去甲基化酶DcROS1通过影响氨基酸生物合成途径调控康乃馨花衰老过程。研究同时发现，精氨酸和分支氨基酸的含量在乙烯处理和自然衰老的康乃馨花瓣中均显著下降，而体外施加精氨酸和分支氨基酸均能够明显延缓乙烯处理和自然衰老的康乃馨花瓣衰老进程。这表明，精氨酸和分支氨基酸可以开发成为一种延缓康乃馨花衰老的潜在保鲜剂成分。
图4. DNA甲基化修饰调控康乃馨花衰老的工作模型
该研究阐明了DNA甲基化修饰调控康乃馨花衰老的分子机制（图4），进一步拓展了人们对于康乃馨花衰老分子调控网络的认识。这为创制有效、快速、便捷、经济且绿色环保的康乃馨切花保鲜剂奠定了关键的理论基础，并为培育货架期和瓶插期延长的康乃馨新品种提供了重要的基因资源，同时对其它观赏花卉和鲜切花的采后保鲜也具有重要的理论价值和实践意义。
果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室博士后冯珊、黄志恒（已出站）、南京农业大学蒋欣羽博士和云南省农业科学院花卉研究所李帆副研究员为论文共同第一作者，果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、华中农业大学园艺林学学院张帆教授，云南省农业科学院花卉研究所王继华研究员和南京农业大学宋庆鑫教授为论文共同通讯作者，果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、园艺林学学院程运江教授、包满珠教授，云南省农业科学院花卉研究所李绅崇研究员和美国德克萨斯大学奥斯汀分校Hong Qiao教授参与了本研究。本研究得到了武汉市知识创新专项基础研究项目（2023020201010106）、中央高校基本科研业务费专项基金（2662023PY023和2662019PY049）、湖北省自然科学基金（2023AFB340）、华中农业大学中央高校优秀青年团队培育项目（2662023PY011）和果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室自主培育重点项目（Horti-PY-2023-001）等的资助。
审核人：张帆
【英文摘要】
Dynamic DNA methylation regulatory networks are involved in many biological processes. However, how DNA methylation patterns change during flower senescence and their relevance with gene expression and related molecular mechanism remain largely unknown. Here, we used whole genome bisulfite sequencing to reveal a significant increase of DNA methylation in the promoter region of genes during natural and ethylene-induced flower senescence in carnation (Dianthus caryophyllus L.), which was correlated with decreased expression of DNA demethylase gene DcROS1. Silencing of DcROS1 accelerated while overexpression of DcROS1 delayed carnation flower senescence. Moreover, among the hypermethylated differentially expressed genes during flower senescence, we identified two amino acid biosynthesis genes, DcCARA and DcDHAD, with increased DNA methylation and reduced expression in DcROS1 silenced petals, and decreased DNA methylation and increased expression in DcROS1 overexpression petals, accompanied by decreased or increased amino acids content. Silencing of DcCARA and DcDHAD accelerates carnation flower senescence. We further showed that adding corresponding amino acids could largely rescue the senescence phenotype of DcROS1, DcCARA and DcDHAD silenced plants. Our study not only demonstrates an essential role of DcROS1-mediated remodeling of DNA methylation in flower senescence but also unravels a novel epigenetic regulatory mechanism underlying DNA methylation and amino acid biosynthesis during flower senescence.
论文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19499
