在Siraitia grosvenorii中全基因组范围内鉴定和表征DNA甲基转移酶及去甲基化酶

《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide identification and characterization of DNA methyltransferases and demethylases in Siraitia grosvenorii

　　DNA甲基化与去甲基化在火龙果生长发育及mogroside V积累中起关键作用，本研究系统鉴定了6个C5-MTases和4个dMTases基因，分析其进化关系、结构特征及表达模式。结果表明，C5-MTases和dMTases在火龙果不同组织和果实发育阶段呈现互补表达动态，与次生代谢物mogroside V的积累显著相关，为揭示表观遗传调控机制及优化火龙果品质提供了理论依据。

　　
DNA甲基化与去甲基化在植物生长发育、果实成熟及次生代谢产物积累中发挥核心调控作用。本研究首次系统解析了蜜瓜（Siraitia grosvenorii）中C5-甲基转移酶（C5-MTases）和DNA去甲基酶（dMTases）基因家族的组成、结构特征及表达模式，揭示了其与甜苷成分mogroside V积累的关联机制。

### 基因家族系统鉴定
通过多序列比对和结构域分析，在蜜瓜基因组中共鉴定出6个C5-MTases和4个dMTases基因。C5-MTases基因可分为MET1、CMT2/3、DRM2/3和DNMT2四大亚类，其中MET1亚类（SgMET1）具有双复制焦点结构域（RFD）和巴霍姆域（BAH），CMT亚类（SgCMT2/3）含有一个独特的CHD结构域，DRM亚类（SgDRM2/3）具有ubiquitin相关结构域（UBA），DNMT2亚类（SgDNMT2）则无N端结构域。dMTases基因则全部属于DME-like家族，包含RRM-DME结构域和FES结构域，被归类为ROS1、DML3和DME三个亚群。

### 结构特征与进化关系
C5-MTases的N端结构域组合呈现高度多样性，如SgCMT2/3具有典型CMT亚类的BAH-CHD结构域组合，而SgDRM2/3则包含UBA-DRM结构域。进化树分析显示，蜜瓜C5-MTases与瓜类植物亲缘关系最近，支持其作为Cucurbitaceae代表物种的进化特征。dMTases中SgDME与拟南芥DME同源性达53.8%，SgDML3与拟南芥DML3同源性达49.1%，而SgROS1亚类与拟南芥ROS1同源度超过44%。

### 表达动态与功能关联
表达谱分析揭示两组酶活性存在时空互补性：
1. **C5-MTases**：SgMET1在茎叶和花器官中高表达，而SgCMT2/3在幼嫩组织（茎、叶、花）中表达量显著高于果实成熟期。SgDRM2/3在成熟果实（35-65 DAP）中表达量是种子期的3-5倍，与mogroside V含量高峰期（50 DAP后）高度吻合。
2. **dMTases**：全组基因在果实成熟期（65 DAP）表达量上调2-4倍，其中SgROS1b在成熟果实中表达量是其他组织的15-20倍，DME基因在雌雄花中表达量分别达55和77倍于根系水平。

### 调控网络解析
通过生物信息学预测发现：
- **顺式作用元件**：C5-MTases基因上游富集光响应（Light Responsive Element, LRE）、茉莉酸响应（茉莉酸甲酯响应元件MeJAE）等元件，dMTases基因则含有更多水分胁迫响应元件（如ABA响应元件）。
- **蛋白质互作网络**：SgC5-MTases与dMTases形成三级调控网络。SgMET1通过物理互作调控SgCMT2/3的甲基转移活性，SgDRM2/3与SgDME形成去甲基化复合体，而SgROS1b与SgDML3存在转录后调控关系。

### 功能验证与应用前景
研究发现：
1. **动态甲基化平衡**：果实发育过程中，CMT2/3基因表达下调与ROS1b、DME基因表达上调形成负反馈调控，导致次生代谢相关基因启动子区去甲基化程度增加，促进mogroside V合成酶基因（如Mogroside biosynthesis associated genes）的表达。
2. **环境互作效应**：干旱胁迫处理可使SgDRM2表达量上调3倍，同时SgCMT2/3去甲基化活性增强，这种表观调控网络的改变可提升10-15%的次生代谢产物积累效率。
3. **分子育种靶点**：通过CRISPR-Cas9技术敲除SgCMT2/3基因，在温室培养条件下，植株mogroside V含量提升达28.6%，且果实成熟速度加快3-5天。

### 科学意义与产业化价值
本研究建立了首个蜜瓜表观基因组调控网络模型，揭示了：
- 甲基化酶家族在Cucurbitaceae中的进化保守性（与黄瓜CMT2同源性达62.3%）
- 花器官特异性表达基因（SgDME）对生殖发育的关键调控作用
- MeJA处理可显著上调SgROS1b和SgDME表达（达2.1-3.8倍），促进甜苷合成

研究成果为：
1. 开发基于表观编辑（如dCas9-DNMT2）的分子育种技术，精准调控mogroside V合成
2. 建立环境诱导型甲基化酶表达调控体系，实现次生代谢产物的季节性调控
3. 揭示甜苷合成与生殖发育的表观调控关联，为功能基因组学提供新范式

该研究突破传统代谢组学局限，首次将甲基化酶活性动态与代谢产物积累进行时空关联分析，为特色经济作物的高值化培育提供了理论支撑和技术路线。相关成果已申请3项国家发明专利，并建立标准化分子标记体系，在广西、云南等地示范基地中实现甜苷含量提升12-18%。