4月2日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室周道繡課題組在Genome biology上發(fā)表了題為“DNA methylation remodeling and the functional implication during male gametogenesis in rice”的研究論文。研究結(jié)果表明，水稻DNA甲基化在雄配子發(fā)生過程中存在動態(tài)重編程現(xiàn)象，直接影響雄配子發(fā)育相關(guān)基因表達和生殖，并發(fā)現(xiàn)一組表觀調(diào)控因子在此過程中具有特異的功能。該研究為解析水稻生殖發(fā)育基因組重編程和植物表觀遺傳修飾的跨代遺傳機制具有重要意義。

 

　　高等生物配子發(fā)育過程和受精后表觀遺傳修飾會經(jīng)歷重編程。哺乳動物生殖過程中存在兩次廣泛的 DNA去甲基化現(xiàn)象，這使得親本表觀變異很難傳遞到后代。與哺乳動物不同，植物配子形成和受精后胚發(fā)育過程中并沒有廣泛的 DNA甲基化的去除，只存在局部的重置現(xiàn)象。另外，哺乳動物生殖細胞系在胚胎發(fā)生的早期階段（即減數(shù)分裂之前）就已經(jīng)確定了，而植物雄性和雌性細胞系衍生于頂端分生細胞，以二倍體性母細胞的形式啟動，經(jīng)減數(shù)分裂后產(chǎn)生單倍體小孢子。雄性小孢子隨后進行有絲分裂，產(chǎn)生營養(yǎng)細胞和生殖細胞。生殖細胞進一步進行有絲分裂產(chǎn)生兩個精細胞從而形成成熟的花粉粒。以往的研究表明，植物精細胞中DNA甲基化修飾與體細胞和卵細胞都具有很大差異。但是，目前尚不清楚植物DNA甲基化在雄配子發(fā)育中的重編程過程、機制及其在生殖中的功能。

 

　　研究團隊獲取并分析了水稻小孢子母細胞、單核小孢子和精細胞的DNA甲基化組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。研究表明，DNA甲基化重塑始于雄性減數(shù)分裂后；非CG序列（即CHG和CHH序列，H =A，G或T）甲基化，尤其是CHG序列的甲基化 （mCHG）在水稻雄性配子體發(fā)生過程中的發(fā)生了廣泛的動態(tài)變化。mCHG水平首先在小孢子中升高，但隨后在精細胞中降至最低水平。

 

　　為了探究mCHG在花粉發(fā)育過程中的重塑機制，作者探究了負責(zé)維持CHG序列的甲基化轉(zhuǎn)移酶CMT3a和CMT3b功能，發(fā)現(xiàn)CMT3a在水稻孢子體發(fā)育過程中高水平表達，然而在幾個水稻品種的精細胞中其表達量處于較低水平。相反，CMT3b在營養(yǎng)組織中的表達水平很低，但其在生殖細胞（包括小孢子母細胞、小孢子和精細胞）中顯著表達。cmt3a突變后小孢子母細胞中的mCHG基本完全消失，其功能與之前在營養(yǎng)組織中的研究結(jié)果一致。但是cmt3a中 mCHG在精細胞中并沒有完全消失（相對于小孢子母細胞）。cmt3b突變導(dǎo)致了小孢子和精細胞中mCHG的明顯缺失，但在小孢子母細胞中并不明顯。并且cmt3b小孢子mCHG水平與野生型精細胞類似，說明CMT3b控制是小孢子mCHG的上升。同時，作者進一步解析了CMT3a和CMT3b在受精過程中的作用，表明CMT3a/3b不同程度參與合子表觀基因組的重建。

 

　　由于mCHG通過正反饋回路與組蛋白甲基化H3K9me2密切相關(guān)，作者探究了H3K9me2去甲基化酶JMJ706和JMJ707在花粉發(fā)育中對mCHG的影響。作為水稻中負責(zé)H3K9me2去甲基化酶，二者高度同源，且JMJ707在精細胞中高量表達。分析發(fā)現(xiàn)，雙突變體jmj706/707中小孢子母細胞和精細胞中一些基因組位點（主要是轉(zhuǎn)座子及轉(zhuǎn)座子相關(guān)基因）上mCHG降低。推測JMJ706和JMJ707可能參與降低精細胞中mCHG水平，促進相關(guān)功能基因表達。

 

　　綜上所述，該研究分析了水稻小孢子母細胞、小孢子和精細胞的全基因組DNA甲基化，并研究了一組染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子在此過程中的功能，揭示了DNA甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去甲基化酶在mCHG重塑中的不同功能，并表明mCHG重塑對雄配子發(fā)生和受精具有重要意義。也為研究表觀變異通過雄配子傳遞到后代的可能性提供了數(shù)據(jù)。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北省洪山實驗室已畢業(yè)李雪博士和博士研究生朱波為文章第一作者，周道繡教授為通訊作者，趙毓教授、熊立仲教授、吳昌銀教授為本研究提供了指導(dǎo)和幫助。博士研究生劉潛、趙峰、葉淼淼也參與了該研究工作。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1186/s13059-024-03222-w