华中农业大学周道绣课题组揭示水稻受精过程中DNA甲基化重塑机制

DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，对于维持基因组稳定、抑制转座子和调控基因表达发挥着重要作用【1】。同时DNA 甲基化的动态变化对于个体发育过程具有非常重要的意义。受精作用是有性生殖生物生命周期的开端，在该过程配子基因组通常会经历染色质的动态变化。大量研究表明哺乳动物早期胚胎发育过程中，亲代染色质上的DNA甲基化会被DNA去甲基化酶擦除，随后进行广泛地重编程过程【2,3】。然而，对于开花植物生殖发育过程中是否存在与哺乳动物相似的DNA甲基化重编程过程目前尚不清楚。

近日，华中农业大学周道绣教授课题组在Molecular Plant在线发表题为DNA demethylases remodel DNA methylation in rice gametes and zygote and are required for reproduction的研究论文，该研究利用单细胞测序技术对水稻受精前后的雌雄配子体和合子细胞进行DNA甲基化组和转录组分析，揭示了水稻受精过程中DNA甲基化的重塑机制。

该研究通过显微操作分离水稻雌雄配子和合子细胞进行DNA甲基化组和转录组测序，分析了水稻受精过程中的DNA甲基化动态变化。研究发现，相对于雌雄配子，受精6.5小时的水稻合子基因组上发生了一定程度的区域性的甲基化重塑。在受精3天的球形胚到成熟胚的发育过程中DNA甲基化重塑则涉及更广泛的基因组区域，DNA甲基化重塑的位点主要集中在基因组上编码 24 nt siRNA的区段。为了探究在水稻生殖发育过程中甲基化动态变化机制，作者分别创建了DNA去甲基化酶DNG702的单突变体和DNG701/DNG704的双突变体(dng701/4)，遗传分析发现DNG702突变以后不能产生可育的胚，而DNG701、DNG704突变以后则会导致部分种子的胚发育迟缓或败育。由此表明，水稻去甲基化酶在合子起始（ZGA）以及胚发育过程中起着重要作用。

同时，作者为了进一步探究DNA去甲基化酶的分子生物学功能，他们检测了以上突变体精细胞、卵细胞以及合子细胞的全基因组甲基化水平，研究显示DNA去甲基化酶调控配子和合子基因组不同区间的DNA甲基化水平，且参与受精后合子基因组DNA甲基化重塑过程。转录组学分析和遗传学证据表明DNA去甲基化酶在水稻配子和合子细胞中调控的DNA甲基化的动态变化，同时对卵子和合子细胞的基因表达具有调控作用，并影响受精后的合子基因组激活（ZGA）和之后的发育过程（图1）。

图：受精前后全基因组DNA甲基化重塑模型

该研究结果表明，与哺乳动物不同，水稻配子和合子基因组DNA似乎不存在广泛的去甲基化过程，只有区域性的DNA甲基化进行重塑。在此过程中DNA去甲基化酶发挥关键性作用，与此同时，这些去甲基化酶通过控制DNA甲基化重塑影响卵细胞和合子特异表达基因的转录水平及发育过程。该研究对于解析植物 DNA 甲基化修饰在生殖过程中的传递与重建机制及其对基因表达和生殖发育的表观调控具有重大意义。

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室已毕业的周少立博士和李雪博士生为本文的共同第一作者，周道绣教授为通讯作者。赵毓教授也参与该研究工作。本研究得到国家重点研发项目和国家自然科学基金项目的资助。 

参考文献：

[1] Law J.and Jacobsen S.(2010)Establishing, maintaining and modifying DNA methylation patterns in plants and animals. Nat Rev Genet,11:204-220

[2] Guo H., Zhu P., Yan L., et al., (2014) The DNA methylation landscape of human early embryos. Nature,511(31):606-610

[3]Peng G., Suo S.,Cui G., et al.,(2019) Molecular architecture of lineage allocation and tissue organization in early mouse embryo. Nature,572(22):528-532 

来源：BioArt植物