DNA methylation controls the expression of tanshinone synthesis genes and the tanshinone accumulation in Salvia miltiorrhiza and Salvia bowleyana

丹参 甲基化 DNMT1型 DNA甲基化 脱甲基酶 发起人 基因 DNA甲基转移酶 基因沉默 亚硫酸氢盐测序 基因表达 甲基转移酶 分子生物学 基因表达调控 生物 表观遗传学 牡丹 化学 抑制因子 DNA 转录组 DNA去甲基化 亚硫酸氢盐 下调和上调 生物化学
作者
L. Liu,Xinru Du,Rui Chu,Xinyu He,Yiwen Chen,Huaqian You,Itezaz Younas,Yihong Li,Weidong Li,Rui Zhang,Yelong Sheng,Ming Zhou,Qi Cui,Zongsuo Liang,Dongfeng Yang
出处
期刊:Plant Journal [Wiley]
卷期号:123 (6): e70494-e70494 被引量:1
标识
DOI:10.1111/tpj.70494
摘要

DNA methylation plays pivotal roles in regulating gene expression and the secondary metabolism in plants. Salvia miltiorrhiza and Salvia bowleyana are traditional Chinese medicinal plants with roots enriched with tanshinone components. However, the regulatory mechanism of DNA methylation on tanshinone production remains elusive. Here, we analyzed 30-day-old hairy roots of S. miltiorrhiza and S. bowleyana using targeted high-performance liquid chromatography analysis and found significantly higher tanshinone content in S. miltiorrhiza. Whole-genome bisulfite sequencing revealed elevated DNA methylation levels in S. miltiorrhiza, potentially due to the upregulation of methylation-related genes, including DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 1 (DRM1), DECREASE IN DNA METHYLATION 1 (DDM1), CHROMOMETHYLASE 2 (CMT1), and CHROMOMETHYLASE 3 (CMT3), alongside the low expression of the demethylase gene REPRESSOR OF SILENCING 1 (ROS1) in S. miltiorrhiza. Additionally, four genes that are involved in tanshinone biosynthesis, including 1-DEOXY-D-XYLULOSE-5-PHOSPHATE REDUCTASE (DXS1), GERANYLGERANYL DIPHOSPHATE SYNTHASE (GGPPS2), 4-HYDROXY-3-METHYLBUT-2-ENYL PYROPHOSPHATE REDUCTASE (HDR2), and COPALYL PYROPHOSPHATE SYNTHASE (CPS3), showed lower methylation levels in the promoters of DXS1, GGPPS2, and CPS3 and a higher DNA methylation level in the gene body of HDR2 in S. miltiorrhiza, which may lead to their high expression and the accumulation of tanshinones. Consistently, overexpression of the SmCMT3 in S. miltiorrhiza significantly reduced the contents of cryptotanshinone, tanshinone I, and tanshinone IIA. Transcriptomic and methylome analyses confirmed that the expression levels of the tanshinone biosynthesis-related genes, including SmMK, SmCPS1, SmDXS2, and SmAACT1, were correlated with their promoter or gene body DNA methylation levels. Our findings reveal that DNA methylation critically regulates tanshinone biosynthesis in S. miltiorrhiza and S. bowleyana, offering valuable insights for breeding.
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