拟南芥DNA去甲基化酶的表观遗传调控揭示其等位基因传递中隐藏的阶段特异性功能

《Journal of Plant Biology》：Epigenetic Control of Allele Transmission Reveals Hidden Stage-Specific Roles of Arabidopsis DNA Demethylases

本研究系统解析了拟南芥DNA去甲基化酶家族成员（DME、ROS1、DML2、DML3）在生殖和营养生长阶段的遗传互作机制。通过构建drdd四重突变体，发现DML3突变可拮抗DME介导的种子败育，ROS1/DML2则与DME功能冗余共同维持种子活力，并首次揭示DME在营养阶段通过表观遗传预调控影响RDD等位基因的非孟德尔遗传。该研究为植物表观遗传调控网络提供了全新视角。

　　

在植物表观遗传学领域，DNA甲基化作为关键调控机制，动态调控基因表达、转座子沉默和基因组印记。然而，其可逆过程——主动去甲基化的生物学功能仍存在大量未知。拟南芥中，DME（DEMETER）介导配子伴细胞去甲基化，调控母本等位基因低甲基化状态；而ROS1、DML2和DML3（合称RDD）主要在孢子体阶段拮抗过度甲基化。由于rdd三重突变体在DME存在时缺乏明显表型，RDD在生殖过程中的作用及其与DME的遗传互作长期未被探索。

本研究通过系统遗传互作分析，揭示了这些去甲基化酶此前未知的功能。研究人员发现，在dme突变背景下，rdd等位基因传递严重受损，表明DME是RDD正常遗传所必需的。出乎意料的是，dml3突变以配子体方式部分抑制dme介导的种子败育，提示二者存在非冗余且拮抗的互作关系。母本ROS1和DML2对稀有dme纯合种子存活至关重要。此外，在营养期dme突变背景下，rdd等位基因呈现非孟德尔分离，暗示DME参与营养期表观遗传预调控。这些发现揭示了拟南芥DNA去甲基化酶具有阶段特异性和交互功能，凸显了RDD隐藏的生殖作用及DME在营养期的新角色。

关键技术方法包括：利用Ler和Col生态型背景的突变体进行杂交遗传分析；通过+46 cDME转基因在营养期特异性抑制DME表达；采用全透明样本制备和微分干涉差显微技术观察胚胎发育阶段；基于PCR的基因分型技术追踪等位基因传递效率；通过自交和杂交后代基因型统计计算传输比率。

No drdd Quadruple Homozygous Mutant Was Obtained in Col Background

在Col背景中未能获得drdd四重纯合突变体。由于dme突变等位基因在rdd杂合植株中无雌性传递，且dme/+植株在Col-gl背景中雄性传输率降低（15% vs 50%），自交后代中未回收到drdd四重纯合植株。

Paternal dme Allele Transmission is Significantly Reduced in rdd Mutant Background

rdd突变背景下父本dme等位基因传输显著降低。用Ler dme-2雌株与dme-2/+;rdd Col雄株杂交，dme-2等位基因传输率从13%降至1.6%，表明DME与RDD在花粉营养细胞中功能部分冗余，DME起主要作用，ROS1、DML2和DML3依次参与。

Maternal Wild-type ROS1 and DML2 are Required for Rare Surviving dme Homozygous Mutant Seeds

母本野生型ROS1和DML2是稀有dme纯合突变种子存活所必需。从7株F1植株仅获得14粒可存活F2种子，ros1和dml2传输率降至39%和32%，而dml3升至61%，提示ros1和dml2可能降低种子活力，dml3则增强之。

dml3 Mutant Allele Partially Rescues dme-mediated Seed Abortion in a Gametophytic Manner

dml3突变等位基因以配子体方式部分挽救dme介导的种子败育。dme;dml3双突变体种子败育率从97%降至81%，且dml3/+杂合状态即显示挽救效应（87%败育）。显微观察发现双突变体种子更多突破心形期，胚胎发育更先进。

Temporal Expression of DME Only in the Reproduction, but Not in the Sporophytic Stage, Permits drdd Mutagenesis in Col Background

利用+46 cDME转基因在生殖期特异性表达DME，成功在Col背景构建drdd突变体。在dme-2;T/-;rdd/+++ F1植株后代中，ros1和dml2传输率为46%和41%，dml3为59%，再次验证dml3突变等位基因的优势传递。

Non-Mendelian Transmission of rdd Mutant in Vegetative-Specific dme Mutant Background Uncovers Vegetative Epigenetic Priming in Arabidopsis

营养期特异性dme突变背景中rdd突变体的非孟德尔传输揭示拟南芥营养期表观遗传预调控。在537株F3植株中，rdd等位基因传输率受其他成员突变状态影响，如ros1在dml3纯合时传输率降至24%，表明DME营养期活性通过表观遗传机制影响生殖期等位基因分离。

研究结论强调DME家族成员在生殖和营养生长中具有复杂互作网络：ROS1和DML2与DME功能冗余促进种子活力，DML3则意外地拮抗DME功能；DME在营养期通过表观遗传预调控影响RDD等位基因传递。这些发现揭示了去甲基化酶功能的高度情境依赖性，对理解植物表观遗传调控网络和作物遗传改良具有重要理论意义。

讨论部分指出，DML3在dme背景中的拮抗作用可能通过促进胚乳增殖实现，其与DME的靶点特异性可能源于染色质环境或底物竞争。营养期DME缺失导致的rdd等位基因传输扭曲，提示营养期建立的表观状态对生殖过程具有持久影响，这为植物环境适应和跨代遗传提供了新机制视角。