近日，中國農業科學院煙草研究所在煙草煙堿轉化分子調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育調控，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，受環境等因素影響，有的植株中煙堿去甲基酶活性增高，煙堿轉化為降煙堿，導致降煙堿含量升高成為主要生物堿。上世紀50年代發現煙堿轉化現象以來，研究者明確了煙草中煙堿轉化為降煙堿受CYP82E4基因調控，但是該基因在煙堿轉化過程中如何行使功能，其調控機制如何，長期未得到揭示。

課題組前期研究發現，在煙草煙堿轉化植株和非轉化植株中，該基因的核苷酸序列未發生變化，并進一步證實組蛋白修飾參與了煙堿轉化的調控過程（Song, et al.,?Plant Physiology and Biochemistry, 2024）。該研究以烤煙品種“OX2028”（煙堿非轉化株）和它的煙堿高轉化株“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，發現CYP82E4基因上存在兩個DNA甲基化差異區，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表達水平和煙堿轉化率大幅度增加，使“OX2028”由煙堿非轉化型轉變為煙堿高轉化型，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甲基化在煙堿轉化中起著至關重要的調節作用，CYP82E4甲基化水平的降低是煙堿轉化發生的重要因素，該研究為煙草煙堿轉化調控和煙草的風味調控提供了重要應用途徑。

中國農業科學院煙草研究所在讀博士生王雅琦為文章第一作者，中國農業科學院煙草研究所煙草功能基因組創新團隊李鳳霞副研究員、煙草種質資源與生物育種創新團隊楊愛國研究員為共同通訊作者，煙草種質資源與生物育種創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業科學院科技創新工程、中國煙草基因組計劃等項目資助。