番茄果实采后处理成熟诱导的DNA甲基化和转录组综合分析 | 作物研究

番茄果实成熟是一个复杂的生理过程，涉及关键基因的去甲基化，改变其转录水平，从而触发一系列生理事件。然而果实采摘后的处理方法，如冷藏、化学处理等，虽然能延长番茄的货架寿命，但通常可能会降低果实品质，目前尚不清楚这些过程是如何改变的。因此，研究采后处理诱导的番茄果实DNA甲基化和转录组变化对果实成熟和品质的影响，以及这些影响与成熟速度和成熟指标（如乙烯、脱落酸和类胡萝卜素）的相关性，对于改善果实品质具有重要意义。

2024年6月1日，加州大学戴维斯分校植物科学系Diane M. Beckles团队通过分析果实的转录组和甲基化研究了果实成熟激素和生理特性，重点分析采后处理（离藤成熟和低温储存）如何影响番茄成熟和品质。相关研究成果以“Integrative analysis of the methylome and transcriptome of tomato fruit (Solanum lycopersicum L.) induced by postharvest handling”为题发表在《Horticulture Research》期刊。

标题：Integrative analysis of the methylome and transcriptome of tomato fruit (Solanum lycopersicum L.) induced by postharvest handling 番茄果实（Solanum lycopersicum L.）采后处理诱导的甲基化组和转录组的综合分析

时间：2024.06.01

期刊：HorticultureResearch

影响因子：IF 7.6 / 1区

实验方法：WGBS、RNA-seq等

本研究全面地将生理事件的变化与动态分子变化关联起来。研究人员将经过20°C、12.5°C或5°C冷藏（随后20°C回温）下暗储后达到Turning阶段（T）成熟果实与新鲜收获果实（fresh-harvest fruit，FHT）进行了比较。在12.5°C储藏的果实具有最显著的表观遗传标记和基因表达变化，超过了其他采后冷藏诱导的变化。在12.5°C下，果实的生理年龄和实际年龄相差显著，因为成熟时间最长。12.5°C下的果实成熟至转色（Turning）阶段并不是跃变期，果实没有典型的呼吸或乙烯爆发；相反，果实中脱落酸含量较高。采后诱导成熟的果实与新鲜收获的成熟果实（FHT）的甲基化组和转录组存在明显差异。"FHT"果实中光合作用基因和叶绿素水平的高表达表明光照会影响果实成熟过程中的分子变化。最后，对组学数据的相关性分析，鉴定出可能受DNA甲基化调控的基因。总的来说，这些数据改善了对采后处理如何改变番茄果实成熟模式的理解，并有望帮助提高果实品质。

研究方法

样本收集：在两个发育阶段（MG和Turning）收集番茄果实样本。

采后处理：在不同温度下储藏果实，如20°C、12.5°C和5°C，并包括5°C储藏后重新在20°C下回温处理。在MG收获的果实（FHM）储存在黑暗中，并在（i）20°C（20T）储存后达到‘T’时进行分析；（ii）12.5°C（12.5T），和（iii）5°C持续两周，然后在20°C下回温（5T）。对照组为新鲜收获的成熟果实（FHT）。MG果实在5°C下储存2周（5M）后也进行分析。

实验方法：实验设置3个生物学重复，每个重复由六个随机选择的果皮组成，用于全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）、RNA-seq、类胡萝卜素和ABA实验。

研究结果

DNA甲基化：发现12.5°C储藏的果实在DNA甲基化水平上有最显著的变化。

基因表达：采后储藏成熟的果实与在藤上成熟的果实在基因表达上有明显差异，尤其是与光合作用相关的基因。

生理和分子变化：采后处理的果实在乙烯产生、呼吸率、类胡萝卜素含量和脱落酸含量等方面表现出特异性生理和分子特征。

光合作用相关基因表达：采后储藏成熟的果实显示出与光合作用相关的基因表达降低，可能影响果实的代谢和品质。

研究结论

本研究通过WGBS+RNA-seq的综合分析，揭示了采后处理对番茄果实的DNA甲基化和转录组有显著影响。研究结果表明12.5°C储藏条件对果实的甲基化和基因表达模式有特殊影响，导致与其他储藏条件不同的生理特性。而光合作用相关基因表达在采后果实中降低，可能与果实品质下降有关。本研究结果有助于深入理解采后处理如何改变番茄果实的成熟模式，并为改善果实品质提供信息。

研究亮点

首次将采后处理与番茄果实的DNA甲基化和转录组变化联系起来。

揭示了采后温度处理对果实成熟和品质的复杂影响。

鉴定出可能受DNA甲基化调控的基因，为基因组或表观基因组编辑提供了潜在目标。

强调了光合作用在果实成熟过程中的重要性，以及光照在调控果实代谢中的作用。

关键图形

（1）采后处理导致果实品质和甲基化变化

图1：采后处理和果实品质。

A. 采后果实实验设计

B. 不同采后处理后番茄果实Turning阶段照片。

C. 水果品质参数的主成分分析（PCA）

D. 单个水果品质参数，包括色度角（°）、硬度（g）、淀粉含量（mg starch g-1 FW）、还原糖（mg sugar g-1 FW）、可溶性固形物（TSS）（°Bx）和可滴定酸（TA）（meq.100
g-1 FW）。

（2）与光合作用活性一致相关的差异甲基化基因和差异表达基因

图2：采后番茄果实甲基化组和转录组分析。

A. 果实甲基化组的主成分分析。

成对比较中DMG的注释，使用“FHT”作为对照。‘12.5T’ vs ‘FHT’、‘20T’ vs ’FHT’、‘5T’ vs ‘FHT’。

C. ‘Turning’果实中转录组的主成分分析，即‘FHT’、‘20T’、’12.5T’和‘5T’。

D. 成对比较中DEG的Venn图。

E. 使用DAVID对DEG（采后果实与‘FHT’相比）进行富集分析（调整后P<0.05），它们都来自下调基因。 F–G.  将“12.5T”、“20T”、“5T”与“FHT”比较时，DAVID中下调基因的代表性术语。

（3）水果类胡萝卜素和ABA含量

图3：水果类胡萝卜素和脱落酸（ABA）的代谢和转录组分析。

（4）采后果实乙烯量和呼吸速率

图4：乙烯和二氧化碳的产生与采后果实的基因表达有关

（5）果实光合作用相关活性

图5：采后番茄果实IDA与光合基因表达的关系

图6：与‘FHT’果实相比，‘12.5T’果实的预测调控模式。

（6）果实成熟与品质通路的相关性分析

表1：成熟转录因子的DNA甲基化与基因表达谱之间具有显著相关性

表2：参与果实成熟和果实品质通路的基因，其DNA甲基化与基因表达状态之间存在显著相关性

参考文献：

Zhou J, Zhou S, ChenB, Sangsoy K, Luengwilai K, Albornoz K, Beckles DM. Integrative analysis of themethylome and transcriptome of tomato fruit (Solanum lycopersicum L.) inducedby postharvest handling. Hortic Res. 2024 Jun;11(6):uhae095. pii: uhae095. doi:10.1093/hr/uhae095. PubMed PMID: 38840937.