文献解读|New Phytol（10.323）：CmMYB6有丝分裂遗传的表观遗传修饰调控菊花花青素的生物合成

在菊花育种中发现的一株具有黄色和粉色花的植株（YP），利用脚芽插条从YP植株繁育出黄色（YP-Y）和粉色（YP-P）的异色品系（图1a）。将两种品系的花蕾到完全开放分为6个不同的发育阶段，从S4期开始花色出现明显差异（图1b）。通过色度计测量完全开放的花（S6）的花瓣颜色，确定YP-Y花瓣的颜色组成为2.8%品红、50.6%黄色和2.4%黑色，YP-P的颜色组成为62.6%品红、40.6%黄色和14.1%黑色（图1c）。S4期两个品系花瓣的类胡萝卜素和黄酮醇含量没有显著差异，而YP-P花瓣的花青素含量显著高于YP-Y花瓣（图1d）。非靶向代谢组学分析表明，两品系花瓣颜色的差异是由花青素含量不同引起的（图1e）。因此，花青素的生物合成是菊花颜色异质性的关键。

随机选取6个栽培品种（3个黄花品种‘YP-Y-like’和3个粉花品‘YP-P-like’），以及3个YP-P和3个YP-Y植株，用于SLAF-seq分析。结果表明，YP-Y和YP-P聚类在一起，6个栽培品种从YP-Y和YP-P品系中分离出来并分散（图1f）。利用CAPS标记验证全基因组SNP分析随机获得的两个序列片段，YP-Y和YP-P品系间的CAPS标记差异不显著，但与其他6个栽培品种有显著差异（图1g）。这些结果表明，YP-Y和YP-P具有相同的遗传背景，YP-Y和YP-P品系间花青素含量差异不是由基因突变导致的。

图1具有相同遗传背景的YP-Y和YP-P品系间的花色差异是由于花青素积累的差异造成

通过qPCR分析YP-Y、YP-P中花青素生物合成相关基因的表达，在YP-P中 CmF3H、CmDFR、CmANS、Cm3GT和CmMYB6的表达量显著高于YP-Y品系（图2b）。CmF3H、CmDFR、CmANS和Cm3GT受转录因子CmMYB6调控，推测两个品系间CmMYB6的表达差异导致了CmF3H、CmDFR、CmANS和Cm3GT的差异表达，从而导致两品系间花青素的差异积累。

图2 YP-Y和YP-P品系中11个花青素生物合成相关基因的比较表达

通过McrBC-PCR检测了两个品系中CmMYB6启动子内两个区域的DNA甲基化程度（图3a），YP-Y中CmMYB6启动子的DNA甲基化水平高于YP-P品系（图3b）。通过重亚硫酸盐测序检测了CmMYB6启动子区域DNA甲基化状态，YP-Y中CmMYB6启动子在CHH环境下的甲基化程度高于YP-P品系（图3c-e）。CmMYB6的启动子区域中发现了由24个核苷酸组成的 siRNAs（图3d-f）。通过CRISPR-dCas9-TET1cd去甲基化系统去除CmMYB6启动子区域的DNA甲基化， CmMYB6的表达量和花青素的生物合成增加（图4）。这表明DNA甲基化可能参与了CmMYB6的表达调控。

图3 YP-Y品系中花青素生物合成途径受到表观遗传修饰的调控

图4 CmMYB6启动子的去甲基化恢复了菊花中花青素的积累

花色、色素含量、花青素生物合成相关基因表达和CmMYB6启动子甲基化状态的差异在连续三代无性繁殖的YP-Y和YP-P品系中均能稳定保持（图5）。这说明CmMYB6启动子区域的表观遗传修饰可以通过有丝分裂进行遗传。

图5 CmMYB6启动子的表观遗传修饰在YP-Y和YP-P品系中稳定遗传

对9个不同花色的菊花栽培品种、YP-Y和YP-P品系进行了代谢组学和转录组学分析。基于花色分析，花青素相关代谢物的主成分分析（PCA）将样品划分为三组（图6a）。而花青素合成相关功能基因的PCA分析将样品分为两组（图6b），表明尽管其他色素也参与了颜色形成，但花青素在颜色形成中发挥着关键作用。

测定了9个栽培品种中CmMYB6的表达量、花青素含量和CmMYB6的甲基化水平,结果将所有品种分为两组：一组为CmMYB6表达水平低、花青素含量低和CmMYB6 DNA甲基化水平高的品种；另一组则与之相反（图6c-e）。表明CmMYB6  DNA甲基化在不同菊花品种中具有普遍性，且与花青素含量呈负相关。因此，CmMYB6甲基化状态的有丝分裂稳定性可能是调控菊花花青素生物合成的普遍机制。

图6 菊花花瓣的颜色与CmMYB6的甲基化有关

图7菊花花色形成的分子机制示意图

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