《Nature Plants》：Photorespiration is linked to DNA methylation by formate as a one-carbon source
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本研究揭示了光呼吸产生的甲酸通过胞质叶酸循环为DNA甲基化提供一碳单元，形成了连接高CO2环境与表观遗传调控的“代谢-表观遗传桥”。针对光呼吸与一碳代谢（C1）之间的关联尚不明确的问题，研究人员在拟南芥中开展了光呼吸、叶酸介导的一碳代谢（FOCM）与DNA甲基化的整合研究，发现光呼吸是DNA甲基化所需C1单元的关键来源，并阐明了其通过甲酸-四氢叶酸合成酶（THFS）/5,10-亚甲基四氢叶酸脱氢酶1（MTHFD1）通路的具体机制。该研究建立了光呼吸与表观基因组稳定性之间的代谢联系，为理解CO2升高等环境因素如何通过光呼吸影响植物表观遗传提供了框架。
在植物世界中，阳光下的每一次呼吸都伴随着一场“意外”的代谢消耗。这源于植物光合作用的核心“引擎”——核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的一个小小“bug”：它有时会分不清二氧化碳和氧气。当它错误地结合了氧气分子，一个被称为“光呼吸”的过程便启动了。这个过程不仅不产生能量，反而消耗ATP并释放二氧化碳，有时能让植物的净光合效率降低高达50%。为了应对这个“bug”带来的损失，植物进化出了一条复杂的“补救”通路，旨在回收碳和氮，但代价高昂。然而，越来越多的证据表明，光呼吸并非一个孤立的、纯粹的“能量黑洞”，它与细胞内的其他核心进程紧密交织。其中一个特别有趣的连接点，是被称为“一碳代谢”（C1Metabolism）的复杂生化网络，它负责处理和转移只含一个碳原子的化学基团。这个网络对生命至关重要，因为它为多种生物合成反应提供“建材”，其中最引人注目的，便是为DNA甲基化——一种重要的表观遗传修饰——提供必需的甲基（-CH3）基团。那么，一个挥霍能量的“错误”过程，如何能与精密的表观遗传调控产生关联？这背后是否存在一条尚未被发现的代谢桥梁，使得环境变化（如CO2浓度改变）能够通过影响光呼吸，进而“遥控”植物的表观基因组？这项发表在《Nature Plants》上的研究，为我们揭开了这层神秘的面纱。
为了深入探究这一问题，研究人员综合运用了多种前沿技术。他们利用拟南芥的遗传学模型，构建了多个关键基因的突变体，包括胞质叶酸网络中的核心酶编码基因MTHFD1和THFS的突变体，以及它们的双突变体。通过全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS），研究人员精确绘制了不同遗传背景下植物DNA甲基化组的全景图谱。同时，他们借助转录组测序（mRNA-seq）分析了转座子（TE）和基因的表达变化。为了追踪碳的流动，研究采用了稳定同位素示踪技术，用13C标记的甲酸和甘氨酸处理植物，并结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析代谢物的标记丰度，直接验证了甲酸作为一碳源进入DNA甲基化的代谢路径。此外，研究还包含了详细的代谢物（如氨基酸、硫醇化合物、叶酸中间体）的昼夜节律分析，以及对关键酶活性的测定。为了模拟环境扰动，实验设置了不同的光周期（长日照LD与短日照SD）和CO2浓度（环境CO2，cCO2；高CO2，hCO2），以研究光呼吸被抑制时对表观基因组的影响。
Suppression of mthfd1by thfs
研究人员首先从遗传学角度解析胞质叶酸代谢网络。他们发现，mthfd1-1突变体表现出严重的生长缺陷和DNA低甲基化，而令人意外的是，THFS基因的功能缺失突变，非但没有加剧mthfd1-1的表型，反而完全抑制了其生长缺陷、DNA低甲基化以及报告基因的异常表达。全基因组甲基化图谱分析显示，mthfd1-1中广泛存在的DNA低甲基化区域（特别是在组成型异染色质区域），在双突变体中得到了显著恢复。这表明，在标准生长条件下，依赖于THFS/MTHFD1的叶酸代谢分支对于维持全局DNA甲基化水平并非必需，可以被另一个分支——丝氨酸羟甲基转移酶4（SHMT4）所补偿。然而，该通路似乎负责稳定特定基因组区域（尤其是基因本体甲基化区域，gbM）的DNA甲基化模式。
Photoperiod controls FOCM
研究进一步发现，mthfd1-1的表型具有光周期敏感性。在长日照条件下其生长缺陷和DNA低甲基化表现明显，而在短日照条件下则大大减弱。代谢物分析揭示了其中原因：在长日照的白天，mthfd1-1叶片中同型半胱氨酸和S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）强烈积累，而S-腺苷甲硫氨酸（SAM）水平维持稳定，表明DNA低甲基化是由SAH积累而非SAM缺乏引起的。同时，mthfd1-1中5-甲酰基四氢叶酸（5-formyl-THF）的异常积累，可能抑制了SHMT4的活性，从而阻碍了丝氨酸来源的一碳供应补偿。这些代谢缺陷在短日照条件下均得到缓解，说明光周期动态调节着叶酸介导的一碳供应。
Formate serves as a C1source
为了直接证实甲酸被同化进入胞质叶酸代谢，研究人员进行了稳定同位素示踪实验。13C标记的甲酸处理结果显示，甲酸中的碳原子以THFS和MTHFD1依赖的方式，被整合进了甲硫氨酸和DNA中的5-甲基胞嘧啶（5mC），并且在白天的标记效率更高。此外，胸腺嘧啶的标记也依赖于THFS/MTHFD1，证明该通路还为胸苷酸从头合成提供5,10-亚甲基四氢叶酸。这些数据直接证明了光呼吸产生的甲酸，确实是DNA甲基化所需甲基基团的一碳来源。
Photorespiration stabilizes DNA methylation
既然甲酸主要来源于光呼吸，那么抑制光呼吸是否会影响DNA甲基化？研究人员将野生型和mthfd1-1植株置于高CO2（hCO2）环境下以抑制光呼吸。结果发现，在野生型中，hCO2仅引起轻微的甲基化组变化；而在mthfd1-1中，hCO2显著恢复了其DNA低甲基化表型，特别是异染色质区域。这表明，当光呼吸被抑制、甲酸来源的一碳供应减少时，丝氨酸来源的一碳通路（通过SHMT4）可以起到补偿作用，维持甲基化稳定。但在mthfd1-1这种补偿能力已经受损的背景下，抑制光呼吸反而通过阻断甲酸通路，减轻了因两条通路同时受阻而造成的代谢压力，使部分甲基化得以恢复。
Photorespiration drives expression changes in mthfd1
转录组分析表明，高CO2环境也广泛抑制了mthfd1-1中因DNA低甲基化而活化的转座子表达。同时，mthfd1-1中大量差异表达基因的表达变化在高CO2下被减弱，其中富集了许多已知的5-甲酰基四氢叶酸结合蛋白编码基因，提示5-甲酰基四氢叶酸的积累可能参与了这些表达调控。
Photorespiration and serine biosynthesis are transcriptionally upregulated in mthfd1
对代谢相关基因的深入分析揭示，在光呼吸条件下（环境CO2），mthfd1-1中光呼吸的乙醇酸途径以及磷酸化丝氨酸生物合成途径（PSBP）的关键基因转录水平显著上调。这可能是对一碳和含硫氨基酸稳态紊乱的一种代偿性反应，旨在增加丝氨酸的供应，以支持通过SHMT4的一碳通量。
这项研究建立了一个清晰的理论模型：在拟南芥叶片中，光呼吸过程中产生的甲酸，通过胞质中的甲酸-四氢叶酸合成酶（THFS）和5,10-亚甲基四氢叶酸脱氢酶1（MTHFD1）被重新同化进入叶酸循环。这条THFS/MTHFD1分支通路在光周期（尤其是白天）活跃运行，为甲硫氨酸循环提供一碳单元，进而支持S-腺苷甲硫氨酸（SAM）依赖的DNA甲基化以及胸苷酸的合成，从而在光呼吸与表观基因组稳定性之间架起了一座“代谢-表观遗传桥”。研究表明，THFS/MTHFD1分支和SHMT4分支之间存在冗余和负反馈调节，使胞质叶酸网络能够灵活平衡不同的一碳来源，维持稳态。然而，当MTHFD1功能单独受损时，这种平衡被打破，导致一碳通量受阻、SAH积累，并最终损害DNA甲基化和转座子沉默。
该发现具有深远的意义。它首次明确了光呼吸作为DNA甲基化一碳供体的生理角色，揭示了环境因素（如CO2浓度、光周期、温度）可通过调节光呼吸强度，进而影响一碳代谢通量，最终驱动植物表观遗传组发生动态变化。这为理解植物如何响应并适应气候变化（如大气CO2浓度升高）提供了一个全新的代谢视角。研究指出，异染色质和基因本体甲基化区域对一碳供应波动的敏感性不同，这可能影响了表观突变（epimutation）在基因组中的分布规律。此外，这一“代谢桥”的阐明，也对旨在通过工程化手段减少光呼吸损失以提高作物产量的努力提出了新的考量：任何改变光呼吸通量的尝试，都需要评估其对植物表观遗传稳态和长期适应性的潜在影响。总之，该工作不仅解决了一个基础的代谢互联性问题，更为预测未来气候条件下植物表观基因组的可塑性及其在适应中的作用提供了关键框架。
