Genome Biology | 华中农业大学周少立团队揭示DNA甲基化调控水稻不同类型根起始异质性的分子机制

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室周少立课题组在Genome Biology上发表了题为“DNA methylation dynamics play crucial roles in shaping the distinct transcriptomic profiles for different root-type initiation in rice”的研究论文。该研究中，作者系统描绘了水稻不同类型根原基起始过程中的转录组及DNA甲基化组动态变化过程，挖掘了该变化在塑造水稻不同类型根起始过程中发挥的关键作用。该研究增进了人们对水稻原基起始机制的理解，揭示了不同根起始机制的异质性，为进一步研究作物根系发育及其改良提供了重要资源。

植物根系是固定植物并从土壤中吸收水分和养分的重要营养器官。水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays）和小麦（Triticum aestivum）等谷类作物具有由主根（PR）、冠根（CRs）和侧根（LRs）组成的须根系。主根是由胚根（ER）发育而来，冠根起源于胚芽鞘节间的类周皮细胞 (pericycle-like cells)，而侧根起源于冠根或主根的周皮细胞。这三种根系起源于不同类型的细胞，暗示了其起始机制存在多样性。目前，不同根起始机制异质性尚未得到充分研究。

研究团队对三种根起始发育阶段进行了精细划分：S0、S1、S2和S3。S0对应未分化的细胞；S1包含新形成的初始细胞簇（未出现明显细胞分化）；S2对应尚未突破表皮的初生根（已出现明显细胞分化）；S3时期则对应正突破表皮的初生根，此时的细胞层次进一步发育且结构更加完善。研究人员通过显微切割联合微量组学技术捕获和分析了三种根起始过程中的转录组和DNA甲基化组数据。研究结果表明，在根系的起始过程中，转录组调控模式存在显著差异，冠根和侧根起始过程中存在明显的转录激活，而胚根起始过程中基因组受到明显抑制。此外，研究人员发现这些转录激活受到CHH甲基化动态调控，并且与功能基因启动子区域内的短转座子元件显著相关。

图1. 水稻不同根原基起始调控模式存在显著异质性

由于CHH甲基化是受甲基转移酶或者去甲基化酶动态调控的，为了揭示根系起始过程中CHH甲基化变化的机制，研究团队对与DNA甲基化相关基因的转录谱进行考察，发现DNG702的激活和DRM2的抑制在冠根和侧根的DNA甲基化减少中发挥作用。进一步，研究人员发现DNG702的点突变体（ta2）和DRM2的过表达均影响水稻冠根和侧根的起始。并且DNG702和DRM2可以协同调控冠根和侧根初生中关键基因的激活。

综上所述，该研究对水稻三种不同根起始过程中的转录组和表观组进行了系统全面的描绘和分析。发现细胞重编程，包括基因转录和DNA甲基化，对每种根系来说都是独特的。CHH甲基化动态变化，特别是影响启动子区域内短转座元件上DNA甲基化的变化，在塑造根系发育关键基因的时空转录模式方面发挥了关键作用。研究中呈现的数据加深了人们对不同根原基形成机制的理解，为进一步揭示根起始的本质提供了新的见解。

图2. DNG702和DRM2参与水稻冠根和侧根起始的模型

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蒋玮博士和博士研究生周舟为文章第一作者，周少立教授为通讯作者，赵毓教授为本研究提供了大量指导和帮助。硕士研究生李晓莹也参与了该研究工作。该研究得到国家自然科学基金项目、湖北省创新群体基金、中央高校团体培育项目和湖北洪山实验室启动经费支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1186/s13059-025-03571-0