Nature Commun | 华中农业大学周道绣/赵毓课题组揭示水稻生殖过程表观信息可遗传的新机制

责编 | 王一

有性生殖生物的生命体始于受精卵即合子。受精前精子和卵细胞的染色质表观修饰状态存在较大差异，受精后合子中父本和母本染色质会经历表观遗传修饰重编程，促进合子基因组激活。在此过程中，基因控制从母体卵细胞基因组转移到合子基因组，新的生命体由此开始。因此，合子基因组激活是早期胚胎发育过程中最重要的生物学问题，但是合子中父母本表观基因组间的相互作用和重编程机制还不清楚。研究合子中父母本基因组的表观重编程机制对于解析亲本基因组互作（杂种优势）、表观变异的跨代遗传、育性和胚发育等生物学机制都具有重要意义。

2023年10月18日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室周道绣/赵毓教授课题组在Nature Communications期刊在线发表题为“Paternal DNA methylation is remodeled to maternal levels in rice zygote”的研究论文。该研究发现水稻合子中父本DNA甲基化跟随母本甲基化水平进行重塑，但父母本特异的表观基因组在胚发育过程中又被重新建立的现象。这一研究结果揭示了合子基因组激活的染色质基础和亲本表观差异在杂种中的遗传机制。

该课题组前期研究发现水稻雌雄配子和合子中只有局部的DNA甲基化进行重置和重建 (Zhou et al., 2021)；杂交稻中来源于不同亲本的DNA甲基化在杂种F1代基因组中能够以亲本特异的DNA甲基化形式维持稳定 (Ma et al., 2021)。为了进一步探究水稻雌雄配子融合成合子的发育过程中来自亲本DNA甲基化的变化特征以及基因表达的变化，该课题组以优良的三系杂交稻汕优63的亲本明恢63 (MH63) 和珍汕97 (ZS97) 为材料，通过显微操作技术分离水稻雌雄配子、合子和早期球形胚并对它们的DNA甲基化动态变化进行了分析。结果发现，与配子相比，合子中只存在局部的DNA甲基化重塑。随后根据雌雄配子中差异甲基化区域 (DMR)，对杂交合子中的亲本特异DNA甲基化进行分析，发现无论是在正交合子 (ZS97 x MH63, ZM) 还是反交合子 (MH63 x ZS97, MZ) 中，源于父本基因组的DNA甲基化水平均与母本的甲基化保持相一致，即合子中父本来源的DNA甲基化跟随母本DNA甲基化发生重塑。为了进一步研究该现象是否与遗传背景相关，作者对粳稻中花11 (ZH11) 与MH63的杂交合子 (2-细胞) 的DNA甲基化进行亲本特异甲基化分析，得到了与前面一致的结果。这些结果表明：该现象在不同基因型的合子中普遍存在，且至少能够保持到2-细胞胚时期。接着作者为了探究杂交合子亲本特异差异DNA甲基化维持是否与其它染色质修饰如组蛋白修饰相关，他们对亲本和杂种F1幼苗基因组特定区域 (与亲本雌雄配子差异甲基化区域相对应的基因组区域) 的组蛋白修饰进行分析，结果发现在低DNA甲基化区域 (hypo-DMR) 富集了激活性的组蛋白修饰（H3K4me3、H3K27ac），而在高DNA甲基化区域 (hyper-DMR) 富集了抑制性的组蛋白H3K9me2修饰。这些结果表明杂种中父母本特异的DNA甲基化与组蛋白修饰存在一定的相关性。这一发现表明父母本携带的表观修饰差异能遗传到后代，也证明遗传因素（基因组DNA序列）是表观遗传差异的基础。

为了进一步证明杂交合子中的DNA甲基化重塑是否影响合子中基因的表达，作者对雌雄配子、杂交合子及球形胚的转录组数据进行分析，发现正反交合子中父本印记基因在卵细胞中低表达，大部分母本印记基因在卵细胞中处于表达状态。结合DNA甲基化数据，进一步表明合子中亲本印记基因的表达状态与配子或者合子中亲本的DNA甲基化有关。

图1. 水稻合子中亲本特异DNA甲基化的动态变化模型

综上，该研究揭示了水稻合子中父本来源的DNA甲基化跟随母本DNA甲基化进行重塑并维持与母本相似的甲基化水平，证实了合子中基因的表达与DNA甲基化相关。该研究为植物早期胚胎发育过程中亲本基因组互作的表观遗传机制提供了新的见解和认识，揭示了表观遗传修饰可遗传性的遗传基础，为解析杂种优势机制和作物遗传改良提供新思路和新机会。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北省洪山实验室和生命科学技术学院博士研究生刘潜和马瑄博士为文章的共同第一作者，周道绣教授和赵毓教授为共同通讯作者，熊立仲教授和周少立教授为本研究提供了指导和帮助。李雪博士、张昕冉博士研究生也参与了该研究工作。该研究得到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和生命科学技术学院创新项目的资助。感谢已毕业的胡桐硕士、明欣硕士在前期取样工作中的帮忙。同时感谢华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室生物信息计算平台的支持。

参考文献：

1. Zhou S, et al. DNA demethylases remodel DNA methylation in rice gametes and zygote and are required for reproduction. Mol Plant 14, 1569-1583 (2021).

2. Ma X, et al. Parental variation in CHG methylation is associated with allelic-specific expression in elite hybrid rice. Plant Physiol 186, 1025-1041 (2021).

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42394-0