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中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所揭示煙草煙堿轉(zhuǎn)化調(diào)控新機(jī)制

2025年05月08日 來源:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所網(wǎng)站 作者:李鳳霞
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近日,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所在煙草煙堿轉(zhuǎn)化分子調(diào)控機(jī)制方面取得新進(jìn)展,相關(guān)研究論文“DNA Methylation in CYP82E4 Regulates Nicotine Conversion of Nicotiana tabacum”發(fā)表于植物科學(xué)領(lǐng)域高水平國際期刊《Plant, Cell & Environment》上。

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生物堿是煙草的重要次生代謝物,主要包括煙堿、降煙堿、新煙草堿以及假木賊堿等,其中煙堿和降煙堿是主要生物堿。煙草生物堿不僅參與煙草的發(fā)育調(diào)控,其不同組分含量對煙草制品的風(fēng)味特征具有重要影響。在普通煙草中,煙堿是主要生物堿,占總生物堿的90%~95%左右,降煙堿通常不超過5%。但是在煙草種植過程中,受環(huán)境等因素影響,有的植株中煙堿去甲基酶活性增高,煙堿轉(zhuǎn)化為降煙堿,導(dǎo)致降煙堿含量升高成為主要生物堿。上世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)煙堿轉(zhuǎn)化現(xiàn)象以來,研究者明確了煙草中煙堿轉(zhuǎn)化為降煙堿受CYP82E4基因調(diào)控,但是該基因在煙堿轉(zhuǎn)化過程中如何行使功能,其調(diào)控機(jī)制如何,長期未得到揭示。

課題組前期研究發(fā)現(xiàn),在煙草煙堿轉(zhuǎn)化植株和非轉(zhuǎn)化植株中,該基因的核苷酸序列未發(fā)生變化,并進(jìn)一步證實(shí)組蛋白修飾參與了煙堿轉(zhuǎn)化的調(diào)控過程(Song, et al.,?Plant Physiology and Biochemistry, 2024)。該研究以烤煙品種“OX2028”(煙堿非轉(zhuǎn)化株)和它的煙堿高轉(zhuǎn)化株“OX2028-H”為材料,研究了它們衰老葉片的全基因組DNA甲基化特征,發(fā)現(xiàn)CYP82E4基因上存在兩個(gè)DNA甲基化差異區(qū),并證實(shí)“OX2028-H”中CYP82E4的DNA甲基化水平顯著低于“OX2028”。進(jìn)一步用DNA甲基化抑制劑處理“OX2028”或敲除“OX2028”中的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因MET1,降低基因組整體以及CYP82E4的DNA甲基化水平,均能引起CYP82E4表達(dá)水平和煙堿轉(zhuǎn)化率大幅度增加,使“OX2028”由煙堿非轉(zhuǎn)化型轉(zhuǎn)變?yōu)闊焿A高轉(zhuǎn)化型,同時(shí)DNA甲基化的改變還引起了CYP82E4激活型組蛋白修飾H3K27me的增加。整體研究表明,DNA甲基化在煙堿轉(zhuǎn)化中起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用,CYP82E4甲基化水平的降低是煙堿轉(zhuǎn)化發(fā)生的重要因素,該研究為煙草煙堿轉(zhuǎn)化調(diào)控和煙草的風(fēng)味調(diào)控提供了重要應(yīng)用途徑。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所在讀博士生王雅琦為文章第一作者,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所煙草功能基因組創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)李鳳霞副研究員、煙草種質(zhì)資源與生物育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)楊愛國研究員為共同通訊作者,煙草種質(zhì)資源與生物育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)程立銳研究員、蔣彩虹副研究員參與了該項(xiàng)研究工作。該研究得到了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程、中國煙草基因組計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

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