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大家好，這里是專注表觀組學十余年，領跑多組學科研服務的易基因。 花器官是植物繁殖的關鍵結(jié)構(gòu)，其發(fā)育受到嚴格的遺傳調(diào)控。ABC模型是解釋花器官發(fā)育的經(jīng)典理論，其中A、B、C、E功能基因分別調(diào)控萼片、花瓣、雄蕊和雌蕊的形成。然而，這些基因的表達調(diào)控機制尚未完全明確。DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾，在基因調(diào)控、基因組穩(wěn)定性和植物發(fā)育中發(fā)揮關鍵作用。S-腺苷甲硫氨酸合成酶（S-adenosylmethionine synthase，SAMS）是參與S-腺苷甲硫氨酸生物合成的關鍵酶，是甲基化反應中的通用甲基供體，同時也是乙烯、多胺等生物合成的共同前體。乙烯是一種重要的植物激素，參與植物的多種生理過程，包括花器官發(fā)育。然而，SAMS如何通過甲基化和乙烯信號通路調(diào)控花器官發(fā)育尚不清楚。 近日，湖南師范大學生命科學學院胡文俐博士等為第一作者，李東屏教授、田連福博士為共同通訊以擬南芥為研究對象，探討了擬南芥S-腺苷甲硫氨酸合成酶（AtSAMS）對花器官發(fā)育的調(diào)控機制。研究發(fā)現(xiàn)，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官的正常發(fā)育。AtSAMS過表達植物（SAMOE）表現(xiàn)出花器官異常，包括花瓣、萼片和雄蕊數(shù)量減少或增加，以及雌蕊發(fā)育不全等現(xiàn)象。研究揭示了DNA甲基化水平的降低和乙烯含量的增加是導致這些異常的關鍵因子，并進一步探討了AtSAMS如何通過甲基化和乙烯信號通路調(diào)控ABCE基因的表達，從而影響花器官發(fā)育。相關研究成果以《AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway》為題發(fā)表于《Plant Science》期刊。易基因科技為本研究提供全基因組DNA甲基化測序（WGBS）和對應的轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）技術(shù)服務。
標題：AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway（AtSAMS 通過DNA甲基化和乙烯信號通路調(diào)控花器官發(fā)育） 發(fā)表期刊：Plant Science（IF 5.2/Q2） 技術(shù)平臺：WGBS、RNA-seq（易基因金牌技術(shù)）
本研究分析結(jié)果揭示了擬南芥中AtSAMS過表達植物的花器官異常發(fā)育由DNA去甲基化和乙烯信號通路共同引起。在SAMOE（AtSAMS過表達植物）中，全基因組DNA甲基化水平降低，乙烯含量增加。用DNA甲基化抑制劑處理的野生型植物表現(xiàn)出與SAMOE相似的表型和乙烯水平，這表明DNA去甲基化增強了乙烯的生物合成，從而導致花器官異常發(fā)育。DNA去甲基化和乙烯含量的增加導致了ABCE基因表達變化，而這些基因?qū)τ诨ㄆ鞴俚陌l(fā)育至關重要。此外，ACE基因的轉(zhuǎn)錄水平與其甲基化水平高度相關，但B基因下調(diào)可能與去甲基化無關，而由乙烯信號通路獨立引起。SAMS介導的甲基化和乙烯信號通路可能在花器官發(fā)育過程中存在相互作用。綜上所述，本研究結(jié)果表明，AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路調(diào)控花器官發(fā)育。
圖形摘要：擬南芥中AtSAMS調(diào)控花器官發(fā)育的假定工作模型。 該模型提出，AtSAMS通過甲基化和乙烯信號通路調(diào)控花器官。作為乙烯合成的前體，SAM還作為甲基供體（me）參與甲基化反應。PPi表示焦磷酸鹽；Pi表示磷酸鹽。ACSs表示1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸合成酶。ERFs表示乙烯響應因子。 研究方法 植物材料：使用擬南芥（Columbia-0）作為實驗材料，通過構(gòu)建AtSAMS1和AtSAMS2過表達轉(zhuǎn)基因植物（SAMOE）進行研究。 全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）：通過WGBS技術(shù)分析SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平，比較野生型（WT）和SAMOE植物的甲基化差異。 RNA測序（RNA-seq）：通過RNA-seq分析SAMOE植物的轉(zhuǎn)錄組變化，檢測ABCE基因及其他基因的表達水平。 實時熒光定量PCR（qRT-PCR）：驗證RNA-seq結(jié)果，分析特定基因的表達變化。 DNA甲基化敏感PCR（McrBC-qPCR）：檢測特定基因啟動子區(qū)域的甲基化水平。 代謝物測定：測定SAM、乙烯、多胺和煙酰胺等代謝物含量。 結(jié)果圖形 （1）AtSAMS過表達（SAMOE）導致花器官異常 SAMOE植物表現(xiàn)出多種花器官異常，包括萼片轉(zhuǎn)化為雌蕊、花瓣和雄蕊數(shù)量減少等，與ABCE基因突變體或過表達株系的表型相似。
圖1：擬南芥中AtSAMS過表達導致異常的花器官表型。 （A）AtSAMS過表達植物（SAMOE）鑒定。 （B）WT、S1OE和S2OE中異?；ㄆ鞴伲òㄋ挟惓ｎ愋停┍壤?。 （C）SAMOE中的異?；ㄆ鞴俦硇?。（a）野生型（WT）。（b）形成次級花，花瓣缺失。（c、d、e）萼片轉(zhuǎn)化為雌蕊且雌蕊數(shù)量增加；萼片、花瓣和雄蕊數(shù)量減少。（f）雌蕊融合不完全。（g）葉狀萼片，雄蕊發(fā)育成雌蕊。（e、h）花瓣數(shù)量減少或增加。 （D）qRT-PCR分析對WT和SAMOE中的ABCE基因進行定量分析。 （E）WT和SAMOE中S-腺苷甲硫氨酸（SAM）含量比較分析。 （2）SAMOEa植物全基因組低甲基化導致花器官異常 WGBS結(jié)果顯示，SAMOE植物的全基因組DNA甲基化水平顯著降低，特別是在CHG和CHH序列環(huán)境中，從而導致花器官異常。
圖2：SAMOE中DNA甲基化相關基因的甲基化率和表達水平。 （A）WT和SAMOE的平均甲基化率比較。 （B-C）SAMOE中參與DNA甲基化過程的基因表達水平（SAMOE與WT相比）。 （3）A、C和E基因的甲基化水平發(fā)生變化，但B基因沒有變化 WGBS和McrBC-qPCR結(jié)果表明，A、C和E功能基因的甲基化水平變化與它們的表達水平顯著相關，而B功能基因的表達變化與甲基化無關。
圖3：DNA去甲基化對擬南芥花器官的影響。 （A）5′-Aza處理或模擬處理的野生型（WT）擬南芥的花器官。（a）模擬處理（Mock）。（b-g）5′-Aza處理。（a′-e′）相應的解剖結(jié)構(gòu)。 （B）在模擬處理和5′-Aza處理的花序樣本中，對基因啟動子區(qū)域進行McrBC-qPCR分析。甲基化的DNA可以被McrBC酶消化，因此更高的qRT-PCR信號表示更低的甲基化水平。 （C）通過qRT-PCR分析對模擬處理和5′-Aza處理的花序中的ABCE基因進行定量分析。
表1：ABCE基因轉(zhuǎn)錄與甲基化水平的相關性分析。 （4）SAMOE植物ABCE基因表達水平的變化 RNA-seq和qRT-PCR結(jié)果顯示，SAMOE植物中A功能基因（AP1和AP2）和B功能基因（AP3和PI）表達下調(diào)，而C功能基因（AG）和E功能基因（SEP1、SEP2和SEP3）表達上調(diào)。
圖4：SAMOE中ABCE基因的甲基化和表達水平。 （A-B）WT和SAMOE中ABCE基因的甲基化水平的全基因組亞硫酸鹽測序（WGBS-seq）數(shù)據(jù)。 （C）在WT和SAMOE樣本中對ABCE基因啟動子區(qū)域進行McrBC-qPCR分析。 （D）WT和SAMOE中差異表達基因（DEGs）的熱圖。 （E-F）SAMOE中ABCE基因的表達水平。 （5）乙烯參與調(diào)控SAMOE植物中雄蕊和雌蕊的發(fā)育 SAMOE植物的乙烯含量顯著高于WT植物，而多胺和煙酰胺含量變化不大。外源乙烯處理（ethephon）的WT植物表現(xiàn)出與SAMOE相似的花器官異常，且B功能基因表達下調(diào)，C功能基因表達上調(diào)，但這些基因的甲基化水平未發(fā)生變化。
圖5：乙烯對擬南芥花器官的影響。 （A）野生型和SAMOE中乙烯含量的比較。 （B-C）SAMOE中參與乙烯和煙酰胺（NA）合成的基因表達情況（SAMOE與WT相比）。 （D）用乙烯利處理的野生型（WT）的花器官表型。（a）模擬處理（Mock）。（b-e）乙烯利處理。（a′-c′）相應的解剖結(jié)構(gòu)。 （E）通過qRT-PCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中ABCE基因表達。 （F）通過McrBC-qPCR分析模擬處理和乙烯利處理的花序中B功能和C功能基因啟動子區(qū)域甲基化水平。 易小結(jié) 本研究利用WGBS和對應的RNA-seq揭示了AtSAMS通過調(diào)控DNA甲基化和乙烯信號通路共同影響花器官發(fā)育。SAMOE植物中SAM含量增加，導致DNA甲基化水平降低和乙烯含量增加。DNA甲基化降低改變了ABCE基因的表達模式，從而影響花器官的正常發(fā)育。此外，乙烯信號通路也可能通過非甲基化依賴的方式調(diào)控B功能基因的表達。研究提出了一個模型，即AtSAMS通過調(diào)節(jié)SAM分配，在DNA甲基化和乙烯生物合成之間建立聯(lián)系，進而調(diào)控花器官發(fā)育。 WGBS和RNA-seq在本研究中的重要作用 WGBS：提供了SAMOE植物全基因組DNA甲基化水平的高分辨率圖譜，揭示了甲基化水平的全局變化。通過分析ABCE基因的甲基化水平，發(fā)現(xiàn)A、C和E功能基因的甲基化水平與它們的表達變化密切相關，而B功能基因的甲基化水平未發(fā)生變化。結(jié)合RNA-seq數(shù)據(jù)，揭示了DNA甲基化水平降低與基因表達下調(diào)之間的聯(lián)系，為理解AtSAMS調(diào)控花器官發(fā)育的分子機制提供了重要線索。 RNA-seq：全面分析了SAMOE植物與WT植物的轉(zhuǎn)錄組差異，鑒定出大量差異表達基因（DEGs），揭示了SAMOE植物中基因表達的整體下調(diào)趨勢。通過分析ABCE基因的表達變化，證實了SAMOE植物中這些關鍵基因的表達模式改變，并與花器官異常發(fā)育密切相關。發(fā)現(xiàn)SAMOE植物中乙烯生物合成相關基因（如ACS2/5/7/8/11）表達上調(diào)，而多胺和煙酰胺合成相關基因表達變化不大，進一步支持了乙烯在花器官發(fā)育異常中的關鍵作用。 關于易基因全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS） 全基因組重亞硫酸鹽甲基化測序（WGBS）可以在全基因組范圍內(nèi)精確的檢測所有單個胞嘧啶堿基（C堿基）的甲基化水平，是DNA甲基化研究的金標準。WGBS能為基因組DNA甲基化時空特異性修飾的研究提供重要技術(shù)支持，能廣泛應用在個體發(fā)育、衰老和疾病等生命過程的機制研究中，也是各物種甲基化圖譜研究的首選方法。 易基因全基因組甲基化測序技術(shù)通過T4-DNA連接酶，在超聲波打斷基因組DNA片段的兩端連接接頭序列，連接產(chǎn)物通過重亞硫酸鹽處理將未甲基化修飾的胞嘧啶C轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏，進而通過接頭序列介導的 PCR 技術(shù)將尿嘧啶U轉(zhuǎn)變?yōu)樾叵汆奏。 應用方向： WGBS廣泛用于各種物種，要求全基因組掃描（不錯過關鍵位點）
技術(shù)優(yōu)勢：
易基因提供全面的表觀基因組學（DNA甲基化、DNA羥甲基化、cfDNA）和表觀轉(zhuǎn)錄組學（m6A、m5C、m1A、m7G、ac4C、RNA與蛋白互作）、DNA與蛋白互作及染色質(zhì)開放性技術(shù)方案（ChIP-seq、ATAC-seq），詳詢易基因：0755-28317900。
參考文獻： Hu W, Hu S, Li S, Zhou Q, Xie Z, Hao X, Wu S, Tian L, Li D. AtSAMS regulates floral organ development by DNA methylation and ethylene signaling pathway. Plant Sci. 2023 Sep;334:111767. pii: S0168-9452(23)00184-X. doi: 10.1016/j.plantsci.2023.111767. 相關閱讀： 1、Nature | 易基因DNA甲基化測序助力人多能干細胞向胚胎全能8細胞的人工誘導 2、Cell｜易基因微量DNA甲基化測序助力中國科學家成功構(gòu)建胚胎干細胞嵌合體猴，登上《細胞》封面 3、項目文章｜微量WGBS+ACE-seq揭示卵巢早衰的人卵丘細胞DNA甲基化與羥甲基化表觀基因組圖譜 4、項目文章｜WGBS揭示Vpr蛋白在HIV-1感染中對CD4+ T細胞DNA甲基化變化的作用 5、項目文章 | WGBS+RNA-seq揭示松材線蟲JIII階段形成過程中的DNA甲基化差異 6、項目文章 | WGBS+RNA-seq揭示黃瓜作物的“源-庫”關系受DNA甲基化調(diào)控 7、年終盤點 | 易基因2023年度DNA甲基化研究項目文章精選 9、DNA與蛋白質(zhì)互作及染色質(zhì)開放性研究方案 13、技術(shù)推介 | 全基因組重亞硫酸鹽甲基化測序(WGBS) 原文：項目文章｜WGBS+RNA-seq揭示AtSAMS通過DNA甲基化和乙烯信號通路協(xié)同調(diào)控植物花器官發(fā)育的表觀遺傳機制 |
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