近日，中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所在煙草煙堿轉(zhuǎn)化分子調(diào)控機制方面取得新進展，相關研究論文“DNA Methylation in CYP82E4 Regulates Nicotine Conversion of Nicotiana tabacum”發(fā)表于植物科學領域高水平國際期刊《Plant, Cell & Environment》上。

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，導致降煙堿含量升高成為主要生物堿。上世紀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，并進一步證實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DNA甲基化差異區(qū)，并證實“OX2028-H”中CYP82E4的DNA甲基化水平顯著低于“OX2028”。進一步用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)控和煙草的風味調(diào)控提供了重要應用途徑。

中國農(nóng)業(yè)科學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)科學院煙草研究所煙草功能基因組創(chuàng)新團隊李鳳霞副研究員、煙草種質(zhì)資源與生物育種創(chuàng)新團隊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)新團隊程立銳研究員、蔣彩虹副研究員參與了該項研究工作。該研究得到了中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程、中國煙草基因組計劃等項目資助。