有性生殖生物的生命體始于受精卵即合子。受精前精子和卵細胞的染色質表觀修飾狀態(tài)存在較大差異，受精后合子中父本和母本染色質會經(jīng)歷表觀遺傳修飾重編程，促進合子基因組激活。在此過程中，基因控制從母體卵細胞基因組轉移到合子基因組，新的生命體由此開始。因此，合子基因組激活是早期胚胎發(fā)育過程中最重要的生物學問題，但是合子中父母本表觀基因組間的相互作用和重編程機制還不清楚。研究合子中父母本基因組的表觀重編程機制對于解析親本基因組互作（雜種優(yōu)勢）、表觀變異的跨代遺傳、育性和胚發(fā)育等生物學機制都具有重要意義。

 

　　10月18日，華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室周道繡/趙毓教授課題組在Nature Communications期刊在線發(fā)表題為“Paternal DNA methylation is remodeled to maternal levels in rice zygote”的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)水稻合子中父本DNA甲基化跟隨母本甲基化水平進行重塑，但父母本特異的表觀基因組在胚發(fā)育過程中又被重新建立的現(xiàn)象。這一研究結果揭示了合子基因組激活的染色質基礎和親本表觀差異在雜種中的遺傳機制。

 

　　該課題組前期研究發(fā)現(xiàn)水稻雌雄配子和合子中只有局部的DNA甲基化進行重置和重建；雜交稻中來源于不同親本的DNA甲基化在雜種F1代基因組中能夠以親本特異的DNA甲基化形式維持穩(wěn)定。為了進一步探究水稻雌雄配子融合成合子的發(fā)育過程中來自親本DNA甲基化的變化特征以及基因表達的變化，該課題組以優(yōu)良的三系雜交稻汕優(yōu)63的親本明恢63（MH63）和珍汕97（ZS97）為材料，通過顯微操作技術分離水稻雌雄配子、合子和早期球形胚并對它們的DNA甲基化動態(tài)變化進行了分析。結果發(fā)現(xiàn)，與配子相比，合子中只存在局部的DNA甲基化重塑。隨后根據(jù)雌雄配子中差異甲基化區(qū)域（DMR），對雜交合子中的親本特異DNA甲基化進行分析，發(fā)現(xiàn)無論是在正交合子（ZS97 x MH63, ZM）還是反交合子（MH63 x ZS97, MZ）中，源于父本基因組的DNA甲基化水平均與母本的甲基化保持相一致，即合子中父本來源的DNA甲基化跟隨母本DNA甲基化發(fā)生重塑。為了進一步研究該現(xiàn)象是否與遺傳背景相關，作者對粳稻中花11（ZH11）與（MH63）的雜交合子（2-細胞）的DNA甲基化進行親本特異甲基化分析，得到了與前面一致的結果。這些結果表明：該現(xiàn)象在不同基因型的合子中普遍存在，且至少能夠保持到2-細胞胚時期。接著作者為了探究雜交合子親本特異差異DNA甲基化維持是否與其它染色質修飾如組蛋白修飾相關，他們對親本和雜種F1幼苗基因組特定區(qū)域 （與親本雌雄配子差異甲基化區(qū)域相對應的基因組區(qū)域） 的組蛋白修飾進行分析，結果發(fā)現(xiàn)在低DNA甲基化區(qū)域（hypo-DMR）富集了激活性的組蛋白修飾（H3K4me3、H3K27ac），而在高DNA甲基化區(qū)域（hyper-DMR）富集了抑制性的組蛋白H3K9me2修飾。這些結果表明雜種中父母本特異的DNA甲基化與組蛋白修飾存在一定的相關性。這一發(fā)現(xiàn)表明父母本攜帶的表觀修飾差異能遺傳到后代，也證明遺傳因素（基因組DNA序列）是表觀遺傳差異的基礎。

 

　　為了進一步證明雜交合子中的DNA甲基化重塑是否影響合子中基因的表達，作者對雌雄配子、雜交合子及球形胚的轉錄組數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)正反交合子中父本印記基因在卵細胞中低表達，大部分母本印記基因在卵細胞中處于表達狀態(tài)。結合DNA甲基化數(shù)據(jù)，進一步表明合子中親本印記基因的表達狀態(tài)與配子或者合子中親本的DNA甲基化有關。

 

　　該研究揭示了水稻合子中父本來源的DNA甲基化跟隨母本DNA甲基化進行重塑并維持與母本相似的甲基化水平，證實了合子中基因的表達與DNA甲基化相關。該研究為植物早期胚胎發(fā)育過程中親本基因組互作的表觀遺傳機制提供了新的見解和認識，揭示了表觀遺傳修飾可遺傳性的遺傳基礎，為解析雜種優(yōu)勢機制和作物遺傳改良提供新思路和新機會。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北省洪山實驗室和生命科學技術學院博士研究生劉潛和馬瑄博士為文章的共同第一作者，周道繡教授和趙毓教授為共同通訊作者，熊立仲教授和周少立教授為本研究提供了指導和幫助。李雪博士、張昕冉博士研究生也參與了該研究工作。該研究得到國家自然科學基金、中央高校基本科研業(yè)務費和生命科學技術學院創(chuàng)新項目的資助。感謝已畢業(yè)的胡桐碩士、明欣碩士在前期取樣工作中的幫忙。同時感謝華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室生物信息計算平臺的支持。

 

　　英文摘要：

 

　　Epigenetic reprogramming occurs during reproduction to reset the genome for early development. In flowering plants, mechanistic details of parental methylation remodeling in zygote remain elusive. Here we analyze allele-specific DNA methylation in rice hybrid zygotes and during early embryo development and show that paternal DNA methylation is predominantly remodeled to match maternal allelic levels upon fertilization, which persists after the first zygotic division. The DNA methylation remodeling pattern supports the predominantly maternal-biased gene expression during zygotic genome activation （ZGA） in rice. However, parental allelic-specific methylations are reestablished at the globular embryo stage and associate with allelic-specific histone modification patterns in hybrids. These results reveal that paternal DNA methylation is remodeled to match the maternal pattern during zygotic genome reprogramming and suggest existence of a chromatin memory allowing parental allelic-specific methylation to be maintained in the hybrid.

 

　　原文鏈接：

 

　　https://www.nature.com/articles/s41467-023-42394-0