Genome biology | 华中农业大学周道绣课题组揭示水稻雄性配子发生过程表观基因组动态重编程机制

责编 | 王一

高等生物配子发育过程和受精后表观遗传修饰会经历重编程。哺乳动物生殖过程中存在两次广泛的 DNA去甲基化现象，这使得亲本表观变异很难传递到后代。与哺乳动物不同，植物配子形成和受精后胚发育过程中并没有广泛的 DNA甲基化的去除，只存在局部的重置现象。另外，哺乳动物生殖细胞系在胚胎发生的早期阶段（即减数分裂之前）就已经确定了，而植物雄性和雌性细胞系衍生于顶端分生细胞，以二倍体性母细胞的形式启动，经减数分裂后产生单倍体小孢子。雄性小孢子随后进行有丝分裂，产生营养细胞和生殖细胞。生殖细胞进一步进行有丝分裂产生两个精细胞从而形成成熟的花粉粒。以往的研究表明，植物精细胞中DNA甲基化修饰与体细胞和卵细胞都具有很大差异。但是，目前尚不清楚植物DNA甲基化在雄配子发育中的重编程过程、机制及其在生殖中的功能。

近日，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课题组在Genome biology上发表了题为“DNA methylation remodeling and the functional implication during male gametogenesis in rice”的研究论文。该研究发现，水稻DNA甲基化在雄配子发生过程中存在动态重编程现象，直接影响雄配子发育相关基因表达和生殖，并发现一组表观调控因子在此过程中具有特异的功能。该研究为解析水稻生殖发育基因组重编程和植物表观遗传修饰的跨代遗传机制具有重要意义。

研究人员获取并分析了水稻小孢子母细胞、单核小孢子和精细胞的DNA甲基化组和转录组数据。分析表明，DNA甲基化重塑始于雄性减数分裂后；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）在水稻雄性配子体发生过程中的发生了广泛的动态变化。mCHG水平首先在小孢子中升高，但随后在精细胞中降至最低水平。

为了探究mCHG在花粉发育过程中的重塑机制，作者探究了负责维持CHG序列的甲基化转移酶CMT3a和CMT3b功能，发现CMT3a在水稻孢子体发育过程中高水平表达，然而在几个水稻品种的精细胞中其表达量处于较低水平。相反，CMT3b在营养组织中的表达水平很低，但其在生殖细胞（包括小孢子母细胞、小孢子和精细胞）中显著表达。cmt3a突变后小孢子母细胞中的mCHG基本完全消失，其功能与之前在营养组织中的研究结果一致。但是cmt3a中 mCHG在精细胞中并没有完全消失（相对于小孢子母细胞）。cmt3b突变导致了小孢子和精细胞中mCHG的明显缺失，但在小孢子母细胞中并不明显。并且cmt3b小孢子mCHG水平与野生型精细胞类似，说明CMT3b控制是小孢子mCHG的上升。同时，作者进一步解析了CMT3a和CMT3b在受精过程中的作用，表明CMT3a/3b不同程度参与合子表观基因组的重建。

图1. cmt3a和cmt3b突变影响小孢子母细胞（Me）、小孢子（UM）和精细胞（S）中DNA甲基化水平

由于mCHG通过正反馈回路与组蛋白甲基化H3K9me2密切相关，作者探究了H3K9me2去甲基化酶JMJ706和JMJ707在花粉发育中对mCHG的影响。作为水稻中负责H3K9me2去甲基化酶，二者高度同源，且JMJ707在精细胞中高量表达。分析发现，双突变体jmj706/707中小孢子母细胞和精细胞中一些基因组位点（主要是转座子及转座子相关基因）上mCHG降低。推测JMJ706和JMJ707可能参与降低精细胞中mCHG水平，促进相关功能基因表达。

综上所述，该研究分析了水稻小孢子母细胞、小孢子和精细胞的全基因组DNA甲基化，并研究了一组染色质调节因子在此过程中的功能。这项工作揭示了DNA甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶在mCHG重塑中的不同功能，并表明mCHG重塑对雄配子发生和受精具有重要意义。也为研究表观变异通过雄配子传递到后代的可能性提供了数据。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北省洪山实验室已毕业李雪博士和博士研究生朱波为文章第一作者，周道绣教授为通讯作者，赵毓教授、熊立仲教授、吴昌银教授为本研究提供了指导和帮助。博士研究生刘潜、赵峰、叶淼淼也参与了该研究工作。该研究得到国家自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费等资助。

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