利用單細胞測序，揭示水稻受精過程中DNA甲基化機制

　　DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳修飾，對于維持基因組穩定、抑制轉座子和調控基因表達發揮著重要作用。同時DNA 甲基化的動態變化對于個體發育過程具有非常重要的意義。受精作用是有性生殖生物生命周期的開端，在該過程配子基因組通常會經歷染色質的動態變化。大量研究表明哺乳動物早期胚胎發育過程中，親代染色質上的DNA甲基化會被DNA去甲基化酶擦除，隨后進行廣泛地重編程過程。然而，對于開花植物生殖發育過程中是否存在與哺乳動物相似的DNA甲基化重編程過程目前尚不清楚。

　　近日，華中農業大學周道繡教授課題組在Molecular Plant在線發表題為DNA demethylases remodel DNA methylation in rice gametes and zygote and are required for reproduction的研究論文，該研究利用單細胞測序技術對水稻受精前后的雌雄配子體和合子細胞進行DNA甲基化組和轉錄組分析，揭示了水稻受精過程中DNA甲基化的重塑機制。

　　該研究通過顯微操作分離水稻雌雄配子和合子細胞進行DNA甲基化組和轉錄組測序，分析了水稻受精過程中的DNA甲基化動態變化。研究發現，相對于雌雄配子，受精6.5小時的水稻合子基因組上發生了一定程度的區域性的甲基化重塑。在受精3天的球形胚到成熟胚的發育過程中DNA甲基化重塑則涉及更廣泛的基因組區域，DNA甲基化重塑的位點主要集中在基因組上編碼 24 nt siRNA的區段。為了探究在水稻生殖發育過程中甲基化動態變化機制，作者分別創建了DNA去甲基化酶DNG702的單突變體和DNG701/DNG704的雙突變體(dng701/4)，遺傳分析發現DNG702突變以后不能產生可育的胚，而DNG701、DNG704突變以后則會導致部分種子的胚發育遲緩或敗育。由此表明，水稻去甲基化酶在合子起始（ZGA）以及胚發育過程中起著重要作用。

　　同時，作者為了進一步探究DNA去甲基化酶的分子生物學功能，他們檢測了以上突變體精細胞、卵細胞以及合子細胞的全基因組甲基化水平，研究顯示DNA去甲基化酶調控配子和合子基因組不同區間的DNA甲基化水平，且參與受精后合子基因組DNA甲基化重塑過程。轉錄組學分析和遺傳學證據表明DNA去甲基化酶在水稻配子和合子細胞中調控的DNA甲基化的動態變化，同時對卵子和合子細胞的基因表達具有調控作用，并影響受精后的合子基因組激活（ZGA）和之后的發育過程（圖1）。

　　圖：受精前后全基因組DNA甲基化重塑模型

　　該研究結果表明，與哺乳動物不同，水稻配子和合子基因組DNA似乎不存在廣泛的去甲基化過程，只有區域性的DNA甲基化進行重塑。在此過程中DNA去甲基化酶發揮關鍵性作用，與此同時，這些去甲基化酶通過控制DNA甲基化重塑影響卵細胞和合子特異表達基因的轉錄水平及發育過程。該研究對于解析植物 DNA 甲基化修飾在生殖過程中的傳遞與重建機制及其對基因表達和生殖發育的表觀調控具有重大意義。

　　華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室已畢業的周少立博士和李雪博士生為本文的共同第一作者，周道繡教授為通訊作者。趙毓教授也參與該研究工作。本研究得到國家重點研發項目和國家自然科學基金項目的資助。