Nature Commun | 上海师范大学杨仲南团队揭示表观遗传调控花药发育的分子机制

责编 | 王一

表观遗传在植物的生长发育过程中发挥关键作用。DNA甲基化和组蛋白修饰是重要的表观遗传调控方式，它们可通过影响转录活性来调控植物生长。花药是种子植物雄性生殖细胞及花粉（雄性生殖细胞载体）产生的场所，花药不同层细胞对雄性生殖细胞和花粉发育发挥重要作用。其中药室内壁细胞控制花药开裂、绒毡层细胞可控制花粉外壁物质（孢粉素）的合成、而花粉母细胞可控制花粉壁模式的建成。然而，表观遗传如何调控花药发育的机制尚不清楚。

近日，上海师范大学杨仲南团队在国际知名期刊Nature Communications发表题为An epigenetically mediated double negative cascade from EFD to HB21 regulates anther development的研究论文，揭示了表观遗传修饰系统调控花药发育的分子机制。

EFD是一个已报道的DNA甲基转移酶。EFD基因的缺失会导致植物雄性不育，包括花粉壁发育缺陷和部分花药无法开裂。在efd突变体中，一些影响花粉壁发育的关键基因（CalS5、RPG1和CYP703A2/DEX2）表达显著下调 （Hu et al., New Phytologist, 2014） ，但对EFD如何调控花粉壁发育和花药开裂的分子机制仍不清楚。

杨仲南团队长期致力于系统研究植物雄性不育的分子机制。他们最初发现DRM2（编码已知de novo DNA甲基转移酶）能够成功回补efd的花粉壁和花药开裂的缺陷，且在efd突变体中下调的基因都能恢复正常表达，说明EFD可能是一个de novo DNA甲基转移酶。该团队还通过遗传实验及表达分析发现EFD可以通过影响关键基因的表达来控制花粉壁模式建成，其中包括花粉壁模式建成（花粉母细胞：RPG1）、花粉壁原料合成（绒毡层：CYP703A2）以及花药开裂（药室内壁：NST2）。这些信息说明EFD很可能作为de novo DNA甲基转移酶全局性调控花药发育过程。

该团队随后对表达数据进行深入分析，找到EFD下游一个关键转录因子HB21。利用遗传实验发现efd hb21双突变的花粉壁发育和花药发育完全恢复正常，使得植株育性显著恢复；而过表达HB21会导致花粉壁明显异常且育性严重下降。然后通过DNA甲基化分析发现efd突变体的HB21基因在第三个外显子的末端有两个胞嘧啶的甲基化缺失严重。这会导致HB21基因的表达显著上调。此外，通过Ch-IP实验发现H3K27me3（转录抑制型组蛋白修饰）在野生型的HB21基因上大量存在，而在efd突变体HB21基因上显著减少。这些信息说明HB21基因的转录很可能被EFD介导的DNA甲基化以及H3K27me3组蛋白修饰所抑制。此外，通过EMSA、Ch-IP等实验发现HB21可以直接结合RPG1、CYP703A2和NST2的启动子并抑制这些基因的表达。

综上，该研究揭示了一条控制花药发育过程的全新遗传通路——“EFD-HB21-下游基因” （图1）。该通路通过双重表达抑制分别调控花药开裂（药室内壁）、花粉壁原料物质合成（绒毡层）和花粉壁模式建成（花粉母细胞）过程中关键基因的表达，以完成对花药发育过程的系统性调控，从而保证花粉和雄性生殖细胞的正常发育。

图1. EFD-HB21通路全局性调控花粉壁模式发育和花药开裂

上海师范大学杨仲南教授为该论文的通讯作者。杨仲南团队教师张丞和博士研究生熊澳童为本文的共同第一作者。上海师范大学生命科学学院为通讯作者单位。该研究成果获得国家自然科学基金和上海市教委的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52114-x