2024年4月2日，華中農業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課題組在Genome biology上發表了題為“DNA methylation remodeling and the functional implication during male gametogenesis in rice”的研究論文。研究結果表明，水稻DNA甲基化在雄配子發生過程中存在動态重程式設計現象，直接影響雄配子發育相關基因表達和生殖，并發現一組表觀調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育基因組重程式設計和植物表觀遺傳修飾的跨代遺傳機制具有重要意義。
高等生物配子發育過程和受精後表觀遺傳修飾會經曆重程式設計。哺乳動物生殖過程中存在兩次廣泛的 DNA去甲基化現象，這使得親本表觀變異很難傳遞到後代。與哺乳動物不同，植物配子形成和受精後胚發育過程中并沒有廣泛的 DNA甲基化的去除，隻存在局部的重置現象。另外，哺乳動物生殖細胞系在胚胎發生的早期階段（即減數分裂之前）就已經确定了，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，經減數分裂後産生單倍體小孢子。雄性小孢子随後進行有絲分裂，産生營養細胞和生殖細胞。生殖細胞進一步進行有絲分裂産生兩個精細胞進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甲基化在雄配子發育中的重程式設計過程、機制及其在生殖中的功能。
作者擷取并分析了水稻小孢子母細胞、單核小孢子和精細胞的DNA甲基化組和轉錄組資料。分析表明，DNA甲基化重塑始于雄性減數分裂後；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生過程中的發生了廣泛的動态變化。mCHG水準首先在小孢子中升高，但随後在精細胞中降至最低水準。
為了探究mCHG在花粉發育過程中的重塑機制，作者探究了負責維持CHG序列的甲基化轉移酶CMT3a和CMT3b功能，發現CMT3a在水稻孢子體發育過程中高水準表達，然而在幾個水稻品種的精細胞中其表達量處于較低水準。相反，CMT3b在營養組織中的表達水準很低，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突變後小孢子母細胞中的mCHG基本完全消失，其功能與之前在營養組織中的研究結果一緻。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突變導緻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水準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。
圖1. cmt3a和cmt3b突變影響小孢子母細胞（Me）、小孢子（UM）和精細胞（S）中DNA甲基化水準
由于mCHG通過正回報回路與組蛋白甲基化H3K9me2密切相關，作者探究了H3K9me2去甲基化酶JMJ706和JMJ707在花粉發育中對mCHG的影響。作為水稻中負責H3K9me2去甲基化酶，二者高度同源，且JMJ707在精細胞中高量表達。分析發現，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（主要是轉座子及轉座子相關基因）上mCHG降低。推測JMJ706和JMJ707可能參與降低精細胞中mCHG水準，促進相關功能基因表達。
綜上所述，作者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調節因子在此過程中的功能。這項工作揭示了DNA甲基轉移酶群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後代的可能性提供了資料。
華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北省洪山實驗室已畢業李雪博士和博士研究所學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和幫助。博士研究所學生劉潛、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基金項目、中央高校基大學研業務費等資助。
原文連結：https://doi.org/10.1186/s13059-024-03222-w
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