2020年6月16日，浙江大学陈利萍教授实验室和美国康奈尔大学甘苏生教授合作在Molecular Plant在线发表了题为“Regulation of Leaf Longevity by DML3-Mediated DNA Demethylation”的文章。该研究首次揭示了DNA去甲基化酶DML3参与调控拟南芥叶片衰老的分子机制。


叶片是植物进行光合作用的重要器官，叶片的衰老会直接影响到农作物的品质与产量，对农业生产造成严重损失。叶片衰老受到内部因素（叶龄、激素水平等）与外部环境因素（极端温度、干旱、水涝、营养缺乏等）的影响，其中叶龄是控制叶片衰老的关键因素之一。叶片衰老过程中大量基因的表达发生了改变，在转录水平调节上与其他信号调控途径形成了复杂的遗传调控网络。基因启动子区和编码区的DNA甲基化和去甲基化过程能够调控植物体内基因的表达，并在植物的生长发育过程以及环境信号的影响下处于不断的动态变化中。因此，探究叶片衰老过程中DNA甲基化水平的变化及衰老相关基因的表达改变是解析叶片衰老的新关键点之一。然而，DNA甲基化水平在植物叶片衰老阶段是如何发生改变的，以及变化的规律是什么；与衰老进程相关的DNA去甲基化酶是否以及如何参与调控衰老相关基因（SAGs）的表达等重要科学问题仍然未知。

研究人员通过对拟南芥野生型（WT）叶片三个衰老时期全基因组甲基化测序（WGBS）分析发现，DNA甲基化水平随叶片衰老过程降低，说明拟南芥叶片衰老伴随着DNA去甲基化，尤其是CG类型的DNA甲基化。并且，DNA去甲基化酶DEMETER-LIKE 3（DML3）在拟南芥叶片衰老过程中是上调表达的。研究者进一步对三个衰老时期拟南芥WT和dml3叶片的甲基化组比较分析显示，与WT相比，dml3叶片衰老过程中甲基化程度高，CG、CHG、CHH三种甲基化类型共发现20,556个差异甲基化区域（DMR）。有趣的是，通过比较WT与dml3两个甲基化组叶片衰老过程中的CG类型的DNA甲基化发现，在WT中，NAC016，SEN1等335个衰老相关基因（SAGs）为差异甲基化基因（DMG），它们的DNA甲基化水平（尤其是在启动子区域）与转录水平呈负相关；而在dml3中，这些基因在叶片衰老过程中表现为高甲基化，基因的转录水平显著降低，说明DML3通过介导衰老相关基因的启动子和/或基因本体区的去甲基化调控叶片衰老。

综上所述，本研究揭示了DML3通过介导一组衰老相关基因（SAGs）的去甲基化参与调控叶片衰老进程。研究结果为延缓叶菜类等蔬菜的叶片衰老提供表观遗传新途径，补充和完善了植物叶片衰老的遗传调控网络，对提高农作物生产力和食品安全性具有重要的生物学意义与生产应用价值。
浙江大学博士研究生袁璐为第一作者，浙江大学陈利萍教授和康奈尔大学甘苏生教授为共同通讯作者。中国农业科学院烟草研究所郭永峰研究员参与了该项研究工作。该研究受到国家重点研发计划项目（2019YFD1000300）和康奈尔大学项目（1843351）的资助。
（蔬菜所供稿）