基因组与DNA甲基化组整合分析揭示甜叶菊糖苷生物合成的表观遗传调控机制

本研究通过整合基因组学、DNA甲基化组学和代谢组学分析，揭示了甜叶菊(Stevia rebaudiana)中糖苷生物合成(SGs)的表观遗传调控机制。研究人员构建了染色体水平的甜叶菊基因组，发现UDP-糖基转移酶(UGTs)的表达可能受基因体CG甲基化调控，并证实DNA甲基化抑制剂5'-Aza能促进糖苷积累。该研究为甜叶菊品质改良提供了重要理论基础。

　　

在当今社会，肥胖和糖尿病已成为重大公共卫生挑战，与高糖饮食密切相关。寻找低热量高甜度的天然甜味剂成为解决这一问题的关键策略。甜叶菊(Stevia rebaudiana)作为菊科植物，其叶片富含的甜菊糖苷(SGs)具有甜度高(蔗糖的150-300倍)、热量低(仅为蔗糖的1/300)的特点，已成为食品和药品添加剂的重要来源。然而，尽管DNA甲基化在植物特化代谢物合成中的调控作用已被广泛认识，但其在甜菊糖苷代谢中的具体机制仍不清楚。

为阐明DNA甲基化对甜菊糖苷生物合成的调控作用，研究人员开展了系统的多组学研究。主要技术方法包括：1)采用纳米孔测序、Hi-C和Illumina测序技术构建染色体水平基因组；2)利用纳米孔测序平台进行不同组织的DNA甲基化分析；3)通过液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)进行靶向代谢物分析；4)结合转录组测序和甲基化数据鉴定差异表达基因(DEGs)和差异甲基化区域(DMRs)；5)使用甲基化抑制剂5'-Aza处理验证甲基化对糖苷合成的调控作用。

研究结果部分：

1. 1.

   不同组织中SG含量的差异分析

   研究发现甜菊糖苷在不同组织中呈现组织特异性分布模式，叶片中SG含量显著高于花和茎。通过LC-MS/MS检测到多种SG成分，包括甜菊苷(Stev)、甜菊苷B(Stev B)、莱鲍迪苷A(Reb A)等。

2. 2.

   甜叶菊基因组组装与注释

   研究人员成功构建了染色体水平的甜叶菊"中科1号"基因组，组装大小为1,436 Mb，contig N50达3.39 Mb。通过Hi-C技术将99.99%的序列锚定到11条假染色体上。基因预测获得47,813个蛋白质编码基因，其中83.62%的基因获得功能注释。

3. 3.

   甜叶菊的进化历史与全基因组复制

   系统发育分析显示甜叶菊与向日葵等菊科植物约在3400万年前分化。Ks分析发现甜叶菊经历了核心真双子叶植物共有的全基因组三倍化(WGT)事件和菊科特异的全基因组加倍(WGD)事件。

4. 4.

   mCG可能影响甜叶菊的甲基化变化

   DNA甲基化分析发现茎组织的甲基化水平高于花和叶组织。CG甲基化在基因体和转座元件(TEs)区域呈现独特分布模式，叶片CG甲基化显著高于茎和花。

5. 5.

   高CG DNA甲基化可能影响基因表达

   转录组分析鉴定到6,635个差异表达基因。超过80%的DMR相关DEGs与甲基化水平呈负相关。功能富集分析显示这些基因主要参与"光合作用"、"单萜类生物合成"等通路。

6. 6.

   DNA甲基化可能与UGT表达相关

   研究发现21个UGT基因的表达与基因体甲基化呈负相关。特别是参与SG生物合成的SrUGT85C2和SrUGT76G1在叶片中呈现低甲基化高表达模式。

7. 7.

   甲基化抑制剂5'-Aza促进SG积累

   实验证明5'-Aza处理可显著提高愈伤组织中SG含量，同时抑制甲基转移酶基因表达并促进糖基转移酶基因表达。

研究结论与讨论部分指出，该研究不仅提供了高质量的甜叶菊参考基因组，还揭示了DNA甲基化通过调控UGT基因表达影响SG生物合成的新机制。特别是发现基因体CG甲基化与UGT基因表达呈负相关，这一发现为理解植物次生代谢的表观遗传调控提供了新视角。研究还证实甲基化抑制剂5'-Aza可通过降低甲基化水平促进SG积累，这为甜叶菊品质改良提供了潜在的技术途径。该成果发表在《Horticulture Research》期刊，对甜味剂开发和植物代谢工程领域具有重要理论价值和实践意义。