DNA 甲基化修饰酶对草莓果实发育的影响

The ripening process directly determines both quantities and qualities of crop products. Fleshy fruits have two types, climacteric and non-climacteric. Our understanding of the regulatory mechanisms responsible for the ripening of non-climacteric fruits, strawberry for example, is still limited. In our previous studies, we found that blocking of DNA methylation could greatly change the ripening process of strawberry fruits. In addition, the expression levels of DNA methylation modifier genes FvMET1 and FvDML1 increase at turning stage. Thus, DNA methylation might play an important regulatory role in strawberry fruit ripening. Based on our previous work, we propose to study the role of FvMET1 and FvDML1 in fruit development and ripening in the diploid woodland strawberry Fragaria vesca. We would create transgenic plants to specifically over-express or silence FvMET1 and FvDML1 in fruits to study the functions of those genes. Coupled with bisulfite-sequencing, the transgenic lines will be used to find those DNA methylation regulated genes essential for fruit ripening, and elucidate the possible regulatory role of DNA methylation. This study is significant for exploring the regulatory mechanisms involved in non-climacteric fruit ripening, and lays a foundation for breeding strawberry and other non-climacteric crop species as well.

果实成熟过程是影响农产品产量和品质的直接因素之一。肉质果实可分为呼吸跃变型和非呼吸跃变型两类。目前，对非呼吸跃变型果实（如草莓）成熟的机制仍然缺乏了解。我们发现改变DNA甲基化水平能显著影响草莓果实的成熟进程，且编码DNA甲基化修饰酶的基因FvMET1和FvDML1在草莓果实转色期前后表达量上调，因此推测DNA甲基化可能在果实成熟中发挥调控作用。本研究拟在此基础上，在二倍体森林草莓（Fragaria vesca）果实发育中后期特异性的过表达或沉默FvMET1和FvDML1基因，研究其在草莓果实发育成熟中的作用，并结合亚焦磷酸盐-高通量测序，筛选出受到DNA甲基化修饰酶调控、且与激素途径及果实发育成熟进程相关的基因，阐述DNA甲基化在草莓果实发育成熟中的可能作用机制。本项目对阐明非呼吸跃变型果实成熟的分子调控机制具有重要的理论意义，也为改良和培育草莓及其它非呼吸跃变型果实作物新品种奠定基础。

DNA甲基化是植物基因转录的一个关键调控因子。最近的研究表明，DNA甲基化修饰参与了转录因子-激素相关的果实成熟的调控，但对非呼吸跃变型果实（如草莓）发育和成熟的DNA甲基化调控的研究仍不够深入。本研究构建了DNA甲基化相关基因的RNAi沉默植株，并发现干扰DNA甲基化会显著影响草莓的果实发育和再生过程。我们发现FveDML1-RNAi果实变小，并进一步结合亚焦磷酸盐-高通量测序和转录组测序，筛选出可能受到DNA甲基化调控、且与果实发育成熟进程相关的基因，以阐述DNA甲基化在草莓果实发育成熟中的可能作用机制。另一方面，我们发现FveDML1-RNAi 叶片外植体的愈伤形成的频率高于对照，FveDDM-RNAi 叶片外植体愈伤形成及芽再生效率均上调。因此，我们结合亚焦磷酸盐-高通量测序和转录组测序，分析了愈伤形成过程中DNA甲基化的变化及与基因表达的关系。分析发现，在愈伤形成过程中，DNA甲基化与基因表达在全基因组水平上没有明确的关联性，但DNA甲基化变化与愈伤形成、芽再生相关基因的表达量变化具有显著的相关性。可见，DNA甲基化可能参与调控愈伤形成中的关键基因。发现DNA甲基化抑制剂能降低草莓愈伤形成和芽再生效率。进一步转录组分析显示，DNA甲基化抑制剂可能通过调控细胞壁基因而阻碍愈伤形成。本项目对阐明DNA甲基化对草莓生长发育及非呼吸跃变型果发育成熟的分子调控机制具有重要的理论意义，也为改良和培育草莓及其它非呼吸跃变型果实作物新品种提供参考。