萜类生物合成的表观遗传启动驱动白木香品种特异性高效沉香形成

《Tropical Plants》：Epigenetic priming of terpenoid biosynthesis drives cultivar-specific efficient agarwood formation in Aquilaria sinensis

　　

过去十年，作为工业沉香生产的资源，白木香（*Aquilaria sinensis*）的高产栽培品种已在中国南方广泛种植。然而，其高产背后的分子机制仍不清楚。在本研究中，研究人员使用传统种植的‘白木’（BM）作为砧木，高产‘舒心优’（SXY）品种作为接穗，生成嫁接植物。在6个月嫁接植物中，SXY枝条在受伤1个月后积累的树脂（醇溶性提取物）显著多于BM枝条。研究人员进一步进行了整合的转座酶可及性染色质测序（ATAC-seq）和RNA测序（RNA-seq）分析，以表征标准化受伤条件下的染色质可及性和转录响应。结果表明，SXY枝条总体上有更多的开放性染色质（71,680 vs 51,489个ATAC峰），具有显著的启动子可及性。这些品种特异性的可及性差异与受伤后萜类生物合成的转录激活相关，包括*AsTPS1*启动子处的可及性差异，伴随SXY中更高的表达。基序富集和网络推断进一步提名了一个候选的bHLH/bZIP模块，其中BHLH137和HYH是萜类途径主要节点的候选调控因子。这些结果与一个候选的表观遗传启动模型一致，即预先存在的染色质状态可能塑造品种特异性的代谢潜力；BHLH137和HYH仍然是功能验证的优先对象。

**研究背景、问题与开展原因**
沉香（agarwood）是瑞香科（Thymelaeaceae）沉香属（*Aquilaria* spp.）植物在胁迫条件下形成的珍贵树脂材料，广泛应用于香水、宗教熏香和传统药典。中国官方仅承认白木香（*Aquilaria sinensis*）为沉香的正规植物来源，该物种在海南及南方各省广泛分布。全球沉香需求驱动了大面积白木香人工林种植，提高产量成为迫切目标。沉香树脂仅在物理损伤、微生物侵染等胁迫下产生，人工诱导技术（如机械钻孔、化学注射、真菌接种、整树钻孔系统）已逐步发展。同时，品种选育产生了多种高产潜力的品系，其中以‘奇楠’（Chi-Nan或Qi-Nan）为代表的高效诱导品种近年被广泛推广。然而，分子生物学鉴定表明这些高效品种与普通白木香（常称Baimu, BM）在基因组水平上遗传分化极低，但化学组成差异显著：普通BM沉香富含药典标志物agarotetrol，而高效品种的树脂中该化合物常缺失或含量极微，导致高产但药用价值受限。为了解决产量与药用成分的矛盾，研究人员鉴定了一个独特的高效品种‘舒心优’（Shuxinyou, SXY），它不仅具备与其它高效品种相当的树脂积累速率，还保留了传统沉香化学特征（含agarotetrol），在相同损伤条件下树脂产量约为BM的四倍。然而，SXY高产优势的调控基础未知。鉴于精英品种与普通品种间极低的DNA水平分化，推测非遗传调控机制（如染色质可及性）可能参与表型差异。已有植物系统研究表明，染色质可及性的组成型差异可以启动（prime）胁迫响应转录，促进损伤或激发后的更强基因激活。为此，研究人员通过嫁接系统严格控制环境变量，整合ATAC-seq和RNA-seq分析，以揭示标准化损伤条件下染色质可及性和转录响应。

**主要研究内容与结论**
研究人员利用一年生BM幼苗为砧木、成年SXY母树（位于海南澄迈县文儒镇）的接穗，生成嫁接植株，在标准苗圃管理6个月后实施机械损伤诱导。通过表型鉴定和醇溶性提取物定量、RNA-seq和ATAC-seq等多组学分析，发现SXY品种在未诱导基线状态下即拥有更开放的染色质景观，且在受伤后萜类生物合成途径基因（如*AsTPS1*）被更强激活。基序富集和网络推断提名bHLH/bZIP家族候选调控因子BHLH137和HYH。研究结论表明染色质可及性差异（而非DNA序列变异）可能是BM与SXY产量差异的基础，为品种筛选提供了新方向。论文发表在《Tropical Plants》。

**主要关键技术方法**（不超过250字）
样本来自海南省澄迈县文儒镇的成年SXY母树接穗与一年生BM砧木嫁接苗，经6个月常规管理后使用。主要方法：1）物理损伤诱导：标准树干钻孔法（2.3mm钻头，10mm深，每株4孔，间距1.5cm，不注入液体）；2）醇溶性提取物定量：乙醇回流提取法，计算含量（n=3，双尾Student t检验）；3）RNA-seq：Trizol法提RNA，Illumina NovaSeq 6000平台PE150测序，fastp过滤，HISAT2比对白木香参考基因组，featureCounts定量，DESeq2差异表达分析（合并15d和30d为Treat组 vs CK）；4）ATAC-seq：从未诱导茎组织分离细胞核，Tn5转座酶处理，AMPure磁珠纯化后Illumina NovaSeq PE150测序，BWA比对，MACS2 call peak（-q 0.05参数）；5）峰注释与整合：ChIPseeker注释启动子（TSS±3kb），HOMER基序富集，根据TF上调、基序富集、启动子可及性三标准优先候选调控因子。

**研究结果**（保留各小标题）

- **SXY exhibits a higher-yield phenotype and extensive chromatin openness**
通过嫁接实验和醇溶性提取物定量，SXY在受伤30天后树脂积累（13.2%）是BM（3.6%）的近4倍（p<0.05），且HPLC检测显示SXY提取物保留agarotetrol特征峰。ATAC-seq分析发现SXY基线染色质开放区域总数（71,680个峰）显著多于BM（51,489个峰），表明SXY具有更广泛开放的染色质构象。

- **Cultivar-specific chromatin signatures favour transcriptional potential**
通过峰注释和基因组分布比较，SXY开放染色质在启动子区域占比更高（31.4% vs BM的26.8%），且SXY特有开放染色质区域关联基因数（5,355个）远超BM（1,523个），提示SXY的染色质特征有利于转录潜力。

- **Cultivar-specific transcriptional reprogramming**
RNA-seq差异表达分析显示，BM在受伤后产生2,653个差异表达基因（DEGs），响应更广泛；SXY则仅有1,779个DEGs，响应更集中。功能富集发现SXY中DEGs主要富集于倍半萜生物合成和次生代谢，而BM富集于RNA加工和通用胁迫响应。基因集富集分析（GSEA）进一步确认SXY中萜类生物合成基因集呈正富集，BM则无。

- **Integration of chromatin and transcriptional landscapes**
通过将基线染色质状态（0d ATAC-seq）与受伤后转录变化（合并15d和30d RNA-seq）进行四分位分析，发现与SXY特有开放染色质关联的基因在受伤后表达上调趋势更显著，即开放染色质与转录变化方向一致，支持染色质状态与转录激活的关联性。

- **Coordinated activation of the terpenoid pathway**
将整合数据映射到萜类生物合成途径，发现多个限速酶基因（如*DXS*、*HMGS*、*IDI*）在SXY中特异性激活。*AsTPS1*位点提供了典型案例：SXY启动子区域存在显著ATAC-seq峰而BM几乎缺失，且SXY中*AsTPS1*在受伤后表达呈上调趋势（log₂FC=1.08），而BM中则下调（log₂FC=?1.13），表明局部启动子可及性与更积极的转录响应相耦合。

- **A candidate bHLH/bZIP regulatory module**
通过HOMER对SXY特有峰进行基序富集分析，发现bHLH、bZIP和MYB家族基序显著富集。结合差异表达（SXY中上调）、基序富集和启动子可及性三个标准，优先候选BHLH137和HYH（HY5同源物）。这两个TF的基序在*DXS*、*HMGS*、*AsTPS1*等基因的启动子区域存在，构建了候选调控网络，为后续功能验证提供假设。

**总结讨论与结论翻译**
讨论部分指出SXY作为高产传统沉香模型系统的价值，在相同诱导条件下产量为BM的近四倍，且遗传分化极低，适合研究调控差异。多组学比较表明染色质可及性差异与产量差异相关，SXY在未诱导时即具有更开放的染色质，且与启动子区域更频繁关联，可能促进受伤后更强的代谢响应。但这些发现基于单重复ATAC-seq，需谨慎解释为候选机制而非最终证明。染色质差异与萜类生物合成途径（尤其是限速酶基因）密切相关，基序富集和网络推断提示bHLH和bZIP家族（如BHLH137和HYH）可能参与调控。研究为理解沉香合成品种差异及种质资源评估提供了新基础，但需更多品系验证和时间分辨ATAC-seq实验。结论部分翻译：研究人员比较了BM和SXY在相同钻孔诱导下的反应，发现SXY表现出更高的树脂积累以及更开放、启动子富集的染色质景观。整合ATAC-seq和RNA-seq进一步鉴定了一组萜类途径基因，包括*AsTPS1*，其在SXY中的可及性和转录模式更为一致。基序富集和网络分析还突出了bHLH和bZIP家族的候选调控因子，包括BHLH137和HYH。结果指向一个模型，其中染色质可及性相关的调控差异有助于SXY中更强的萜类途径激活。