Nat Commun：南方科技大学郎曌博/杜嘉木揭示DNA去甲基化可招募甲基化敏感型转录因子SlSPL-CNR调控番茄风味酯合成的新机制

近日，南方科技大学前沿生物技术研究院及医学院郎曌博教授团队联合生命科学学院杜嘉木教授团队，在国际知名学术期刊

Nature Communications

发表题为

“DNA hypomethylation enables the transcriptional repressor SlSPL-CNR to control fruit flavor ester biosynthesis”

的研究论文。该研究首次证实DNA甲基化抑制番茄SPL转录因子SlSPL-CNR的结合，果实成熟过程的DNA去甲基化促进SlSPL-CNR结合，抑制调控下游基因SlAAT1表达，进而影响番茄果实风味酯合成。该机制为果实品质改良和表观遗传育种提供了理论依据与分子靶点。

研究表明，DNA甲基化动态变化对于肉质果实成熟至关重要。在番茄（

Solanum lycopersicum

）果实成熟过程中，DEMETER-LIKE 2（SlDML2）介导的DNA去甲基化事件发生于超过20,000个基因组位点；该成熟诱导的去甲基化是否直接调控转录因子与DNA的结合特异性，目前尚缺乏实验证据。SPL家族是植物特有的转录因子家族，广泛调控株型、产量和发育转换等农艺性状，其中番茄SlSPL-CNR是调控果实发育的重要转录因子。果实风味是园艺作物商品价值的核心性状，其中酯类挥发物构成许多成熟果实香气的重要成分，并在果实成熟过程中受精确的时空调控。本研究鉴定了首个可特异性识别该甲基化动态变化的转录因子——SlSPL-CNR，为理解植物如何将表观遗传动态与转录调控及代谢输出相整合方面提供了重要的概念性进展。

图1. SlSPL-CNR的DAP-seq与ampDAP-seq结合图谱分析

为系统解析SlSPL-CNR的DNA甲基化结合特性，研究团队结合体外DAP-seq（保留基因组甲基化）与AmpDAP-seq（PCR 扩增去除基因组甲基化）技术，在全基因组水平获取了两种条件下SlSPL-CNR在果实中的结合图谱。联合对应成熟果实的全基因组甲基化图谱分析结果显示，SlSPL-CNR的结合强度与DNA甲基化水平呈显著负相关，其核心识别基序GTACGG中第4位胞嘧啶的甲基化对结合的抑制效应最为显著。后续凝胶迁移实验（EMSA）与等温滴定量热法（ITC）定量验证了这一特性：核心基序发生甲基化后，SlSPL-CNR的结合亲和力显著下降，明确了其作为典型的甲基化敏感型转录因子的属性。

为从结构层面揭示甲基化敏感性的分子机制，该研究解析了SlSPL-CNR SBP结构域与未甲基化DNA复合物的高分辨率晶体结构。结构分析表明，SlSPL-CNR的SBP结构域通过两个串联锌指结构嵌入DNA大沟，Gln94与Gln95两个关键残基通过氢键网络

精准

识别GTAC基序的碱基。当核心识别基序胞嘧啶被甲基化后，其甲基基团会与Gln94的主链羰基产生严重的空间位阻，直接破坏蛋白与DNA的相互作用界面，从而抑制结合。定点突变实验进一步证实，Gln94是介导该SBP结构域结合的关键残基。

图2.成熟相关DNA低甲基化介导的SlSPL-CNR与SlAAT1结合增强调控果实风味酯合成

在此基础上，研究团队进一步在番茄果实体内揭示了该机制的生理功能。通过对比绿果期与破色期果实的ChIP-seq数据，研究人员发现，伴随果实成熟过程中DNA去甲基化酶SlDML2介导的全基因组去甲基化，SlSPL-CNR在部分靶位点的结合强度显著上升。其中，风味酯合成的关键限速酶基因

SlAAT1

的启动子区域存在两个GTAC基序，在成熟过程中被SlDML2特异性去甲基化，进而促进SlSPL-CNR的结合。SlSPL-CNR结合后会抑制

SlAAT1

的转录，与已知的激活因子NOR共同构成负反馈调控回路，精细调控果实成熟过程中酯类物质的积累速率，避免代谢失衡。

研究人员利用CRISPR/Cas9技术构建了

SlSPL-CNR

功能缺失突变体，遗传实验证实，突变体果实中

SlAAT1

的转录表达量显著上调，差异酯类代谢物积累量显著提高，从体内遗传水平验证了SlSPL-CNR对风味酯合成的负调控作用。进一步实验确认，SlDML2直接靶向

SlAAT1

启动子介导去甲基化，且SlSPL-CNR与SlDML2不存在直接蛋白互作，明确了“SlDML2介导

SlAAT1

启动子去甲基化→SlSPL-CNR结合增强→

SlAAT1

转录抑制→风味酯合成适度下调”的调控通路。

值得关注的是，研究团队对番茄、水稻、玉米中多个调控重要农艺性状的SPL家族蛋白进行了验证，发现所有测试的SPL蛋白均对保守识别基序“GTAC”的甲基化表现出一致的结合抑制效应，且介导甲基化感知的关键Gln残基在被子植物SPL家族中高度保守。这一结果表明，甲基化敏感结合是SPL转录因子家族的普遍特性，该调控机制可能广泛参与多种作物的发育进程与性状形成，具有广阔的应用前景。

该研究首次系统阐明了植物SPL转录因子家族的DNA甲基化敏感性及其结构基础，提出了“DNA低甲基化可通过招募转录抑制子阻止基因过表达”的反向调控逻辑，极大拓展了人们对植物表观遗传调控复杂性的理解。研究成果不仅完善了番茄果实风味代谢的调控网络，为风味品质定向改良提供了全新靶点，也为解析其他作物中SPL家族的功能与调控机制提供了重要参考。

图3.番茄果实成熟过程中SlSPL-CNR介导的对

SlAAT1

负反馈调控示意图

南方科技大学博士后曾智锋、高级研究学者马宇博士以及中国科学院分子植物科学卓越创新中心何航博士为论文共同第一作者。南方科技大学郎曌博教授与杜嘉木教授为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家

自然科学


基金

、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划等项目的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75181-8