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Nature Comm | DNA去甲基化调控拟南芥雄配子育性的机制

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BioArt植物 2021-01-21 21:10

撰文 | MX

责编 | 奕梵

DNA 胞嘧啶甲基化 (5mC) 是一种重要的表观遗传修饰,在抑制转座子沉默、调控基因表达和维持基因组稳定性方面具有非常关键的作用。在植物中,DNA甲基化的类型包括对称的CG和CHG (H=A, C或T) 甲基化与非对称的CHH甲基化。DNA甲基化是一种动态的表观调控过程,其产生和去除分别由特定的DNA甲基转移酶和DNA去甲基化酶负责。DNA甲基化的形成分为DNA甲基化的维持和DNA甲基化的从头合成 (De novo) ,植物中DNA甲基化的从头合成主要通过RNA介导的DNA甲基化途径 (RNA-directed DNA methylation, RdDM) 产生,主要由DRM1和DRM2负责 【1】 。

DNA甲基化在动植物的生殖发育过程中发挥着重要作用。尽管哺乳动物在早期胚胎发育过程中DNA甲基化会发生剧烈的下降,在着床前的囊胚期达到最低水平。然后目前在植物中还并未观察到在受精过程中配子细胞会发生广泛的DNA去甲基化过程 (除了CHH甲基化外) 。植物的雄配子体即花粉,通常由2个精细胞和1个营养核细胞形成;雌配子体的胚珠由2个助细胞、1个中央细胞和1个卵细胞组成。之前的研究表明在配子体的伴胞细胞 (雄配子体的营养核细胞和雌配子体的中央细胞) 中会发生DNA去甲基化 【2】 。营养核细胞和中央细胞的DNA去甲基化过程主要依赖于DNA糖基化酶DME,DME的功能缺失会导致种子败育或雄配子的部分不育 【3】 。然而目前并不清楚DME功能缺失是如何导致雄配子不育的。

近日,法国PSL Research UniversityDaniel Bouyer教授与Vincent Colot研究团队合作在Nature Communications在线发表了题为Male fertility in Arabidopsis requires active DNA demethylation of genes that control pollen tube function的研究论文,揭示了拟南芥DNA糖基化酶DME和ROS1在花粉营养核细胞中具有半冗余的DNA去甲基化功能,并在调节花粉管特异基因发挥正常功能方面起着重要的作用。该研究提供了表观调控因子如何影响植物生殖发育过程的重要理论依据。

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为了搞清楚DME功能缺失如何导致雄配子不育,以及营养核细胞是否需要通过激活DNA去甲基化,从而使维持花粉正常功能的基因得以表达,研究人员分析了DME和ROS1突变体的DNA去甲基化酶活性。首先通过dme和ros1突变体与野生型的杂交实验进行遗传分析,证实DME和ROS1对雄配子的育性共同发挥作用,接下来利用荧光显微镜观察突变体及野生型杂交材料发现DME和ROS1对于受精过程中花粉管朝向胚珠的定位起主要作用。

研究人员进一步利用FACS (fluorescence-activated cell sorted) 技术分离了野生型和突变体的营养核细胞和精细胞进行DNA甲基化测序分析,结果表明许多与花粉管生长调控、定位及识别相关的基因都位于CG-hypo DMR区域,经过进一步的分析及基因表达水平的检测发现有6个与花粉管功能相关的基因在突变体花粉中的表达显著降低,因此说明DME和ROS1直接调控营养核细胞特异基因的表达从而影响花粉管功能。

DME/ROS1在调控花粉管功能相关的靶基因中的作用

总而言之,该研究表明DNA糖基化酶DME和ROS1介导的DNA去甲基化对于花粉管功能基因的调控起着至关重要的作用,揭示了DME和ROS1功能缺失导致的雄配子不育的分子机制。该研究提供了表观遗传调控如何影响植物生殖发育过程的重要理论依据,对于利用基因工程手段通过表观调控因子控制或调节植物生长发育方面具有参考意义。

参考文献:

【1】Law, J. A. & Jacobsen, S. E. Establishing, maintaining and modifying DNA methylation patterns in plants and animals. Nat. Rev. Genet. 11, 204–220 (2010)

【2】Ibarra, C. A. et al. Active DNA demethylation in plant companion cells reinforces transposon methylation in gametes. Science 337, 1360–1364 (2012)

【3】Choi, Y. et al. DEMETER, a DNA glycosylase domain protein, is required for endosperm gene imprinting and seed viability in Arabidopsis. Cell 110, 33–42 (2002).

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20606-1

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