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《表观遗传调控植物胚胎发育和种子耐脱水性研究获进展》

  • 来源专题：生物育种
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2025-03-04

  • DNA甲基化是植物和动物中广泛存在的表观遗传修饰，能够在不改变DNA序列的情况下调控基因表达。在植物中，RNA介导的DNA甲基化（RdDM）途径是建立和维持DNA甲基化的关键机制，能够抑制转座子的活性并调控基因表达。有研究发现RdDM对不同物种的作用不同，但具体原因尚不清楚。例如，在拟南芥中，RdDM途径关键组分的nrpd1突变体在营养生长和生殖发育中表现出的表型较为温和，而番茄中NRPD1缺失则导致胚胎发育异常和种子不育。中国科学院植物研究所研究员王台、副研究员刘玲童团队解析了RdDM对番茄胚胎发育和种子脱水耐性的影响。研究发现，SlNRPD1失活导致CHH甲基化水平和24-nt siRNA下降，同时伴随着内切核糖核酸酶SlDCL2b/c/d的特异性激活与21-22 nt siRNA的积累。研究发现，番茄中转座元件和非转座子重复序列通常位于SlWOXs和SlPINs基因体内或附近，而AtWOXs和AtPINs基因座上的转座子和重复序列相对较少。NRPD1缺失引起的重复序列CHH低甲基化可能通过改变WOX/auxin信号通路的基因表达，导致胚胎发育缺陷和种子不育。上述研究为探讨DNA甲基化在植物生殖发育中的调控机制提供了新视角。

  • 原文来源：http://www.cas.cn/syky/202502/t20250225_5048004.shtml
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相关报告

  • 《遗传发育所揭示决定种子活力的表观遗传调控机制》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-02-13
    •   种子的出现，使高等植物能够在多样的自然环境中得以广泛生存和分布。产生高活力的种子从而在环境条件合适时迅速萌发并发育产生健壮的幼苗是高等植物繁衍的关键，也是农业生产中种子品质的重要指标。然而，在种子形成时，其萌发和胚后发育的能力如何产生，尚不清楚。        近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所姜丹华研究组在《自然-通讯》（Nature Communications）上，发表了题为Histone H3.3 deposition in seed is essential for the post-embryonic developmental competence in Arabidopsis的研究论文。该研究发现了一个组蛋白H3的变体H3.3在染色质上的装配是种子获得萌发和胚后发育能力的关键，并分析了H3.3在其中可能发挥的调控机制，为进一步阐释种子活力的形成机制奠定了基础。        对H3.3完全敲除的拟南芥突变体的研究发现，该突变体能够正常产生成熟的种子，且形态和种子储藏蛋白等指标均与野生型一致。然而，h3.3突变体种子无法正常萌发，抑或是少数萌发的种子也在萌发后立即停止发育。研究分析H3.3在种子染色质上的分布发现，其在成熟种子中具有特异的基因5’端/启动子区和基因3’端均富集的分布模式，而在营养组织如幼苗中H3.3仅在基因3’端富集。H3.3对于成熟种子中染色质开放性的形成颇为重要，促进基因5’端/启动子区的开放，从而使种子在萌发时感知环境以及胚后发育的基因能够正常表达。此外，H3.3在基因3’端抑制染色质的开放性和基因上的异常转录 （cryptic transcription）。   该研究揭示了植物通过组蛋白变体H3.3在种子中的特异装配，从而“打开”染色质为其萌发和胚后发育做了准备机制。因而在一定程度上H3.3具有类似先锋因子在细胞命运调节中的作用。作为一种替代（replacement）组蛋白，H3.3在较多植物细胞的分化时均发生明显富集。因此，H3.3可能是植物细胞命运决定的关键因子，对其作用机制的进一步研究将有助于探索植物再生等重要科学问题。        研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。
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  • 《生科院孙博课题组发现植物发育的表观遗传调控新机制》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-03-11
    •       SE编码C2H2锌指蛋白，是植物中miRNA形成途径中的关键基因。其调控植物的叶片发育、顶端分生组织的活性、花序结构和植物发育阶段的转换。SE的部分功能缺失突变体se-1，表现出胚胎发生异常、叶片发生延迟、叶片锯齿化、发育阶段转换加速、花序异常和花发育等缺陷。同时，SE参与植物响应生物胁迫和非生物胁迫的过程。然而，相对于被广泛报道的SE功能的重要性，关于SE在植物生长发育不同时期及抗病抗逆时的作用方式及调控模式仍然未知。       长非编码RNAs（lncRNAs），是一类长度超过200 nt，且几乎不编码蛋白质的RNA。大量研究表明，lncRNA是许多生物过程中的关键调节因素。目前，植物中已系统的鉴定出数以千计的lncRNAs，但他们具体的功能机制仍知之甚少。此外，lncRNA是否参与SE基因的调控，也有待研究。       孙博教授团队长期从事表观遗传调控植物发育研究。本工作首先从SE的3’端鉴定出一个反义长链非编码RNA SEAIRa，在拟南芥生长发育过程中与SE呈相反的表达模式。超表达SEAIRa会导致SE下调表达，而敲低或者敲除SEAIR会导致SE上调表达。因此SEAIRa是SE的负调控因子。       研究人员通过RNA体内pull down寻找到了SEAIRa的互作蛋白E3连接酶PUB25/26以及类泛素蛋白RUB1。SEAIRa招募PUB25/26以及RUB1引起SE第11个外显子区域H2Aub修饰。此外，PUB25/26会影响SEAIRa 5’端的切割，并释放出5’端片段，游离的5’片段可以与PRC2核心成员EMF2互作，进而招募PRC2复合体引起SE第一个外显子区域H3K27me3修饰。SE基因座不同位点的抑制性H2Aub和H3K27me3修饰协同调节SE染色质状态并抑制SE表达。        综上，该研究揭示了一种由结合在染色质上的lncRNA SEAIRa介导的表观遗传抑制新机制。研究结果一方面拓宽了植物中lncRNA的作用机制，也阐述了在植物生长发育过程中发挥重要作用的SE的调控机制。        近日，该成果在以“An antisense intragenic lncRNA SEAIRa mediates transcriptional and epigenetic repression of SERRATE in Arabidopsis”为题于2023年3月1日在线发表于PNAS杂志，深入解析了长链非编码RNA SEAIR调控SE的分子机制。南京大学博士后陈炜为该论文第一作者兼共通讯，南京农业大学王秀娥教授和南京大学孙博教授为该论文通讯作者。新加坡国立大学袁于人教授（已逝）、南京大学陈迪俊教授和南京农业大学张文利教授等参与了该研究工作。该课题得到了江苏省农业技术体系专项资金和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。 原文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216062120
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