睡莲胚乳印迹与DNA甲基化：揭示种子进化中亲本效应的古老起源

《Molecular Biology and Evolution》：Imprinting and DNA methylation in water lily endosperm: implications for seed evolution

本研究针对早期开花植物印迹基因与表观遗传调控机制演化这一关键科学问题，以基部被子植物睡莲为研究对象，通过跨物种杂交、等位基因特异性表达分析和全基因组甲基化测序技术，首次在二倍体胚乳中发现大量母源表达印迹基因及亲本特异性DNA甲基化模式。结果表明母源等位基因CG位点低甲基化与CHG位点高甲基化是胚乳的保守特征，且印迹机制的出现早于三倍体胚乳的演化。该研究为理解被子植物种子进化中亲本冲突与营养分配策略的协同演化提供了关键证据，发表于《Molecular Biology and Evolution》。

　　

在植物漫长的演化历程中，被子植物凭借种子的出现占据了绝对优势，而胚乳作为种子中独特的营养组织，更被视为开花植物成功的关键创新之一。胚乳由双受精形成，既承载着母体的营养供给，又融合了父本的遗传物质，成为亲本双方争夺后代资源控制的“战场”。在这一战场上，基因印迹现象尤为引人注目——某些基因在子代中仅表达来自特定亲本的等位基因，通常由DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传标记所调控。长期以来，科学家们在单子叶和双子叶植物中发现大量印迹基因，并提出经典的“亲本冲突理论”，认为母源表达基因利于资源节约分配，而父源表达基因则促进后代更大程度摄取营养。

然而，一个根本性问题悬而未决：这些印迹机制是伴随三倍体胚乳演化而来，还是早在被子植物起源时便已存在？由于绝大多数已研究的物种均具有三倍体胚乳，这一问题始终缺乏直接证据。睡莲目作为基部被子植物，其独特的二倍体胚乳和以母源组织外胚乳为主的营养储存策略，为破解这一演化谜题提供了绝佳窗口。

为揭示印迹机制的早期演化轨迹，Rebecca A. Povilus等人以两种亲缘关系较近的睡莲物种——热带睡莲和双态睡莲为模型，开展跨物种杂交实验。研究人员首先完成两种睡莲的高质量基因组组装与注释，在此基础上通过等位基因特异性RNA测序分析杂交F₁代胚乳的基因表达模式。结果显示，在超过1.6万个具备足够测序深度的基因中，仅有1个父源表达印迹基因能通过严格标准，而母源表达印迹基因高达157个，且多数与营养代谢、发育调控等生物学过程密切相关。通过RNA原位杂交实验，研究者进一步验证了赤霉素氧化酶同源基因和水糖合成酶基因等典型母源表达印迹基因在胚乳特异性表达，排除了母体组织污染的可能性。

在DNA甲基化层面，研究团队利用酶学甲基化测序技术绘制了胚乳亲本等位基因的甲基化图谱。发现母源等位基因在CG语境下呈现显著低甲基化，而在CHG语境下则高度甲基化，这一模式与拟南芥、水稻等三倍体胚乳物种相似，提示主动去甲基化酶DME的同源基因在睡莲中央细胞中可能同样活跃。值得注意的是，仅少数母源表达印迹基因与差异甲基化区域直接关联，表明睡莲中印迹调控可能更多依赖DNA甲基化以外的机制。

关键技术方法概览

研究整合了长读长测序技术完成睡莲基因组从头组装，通过跨物种杂交策略获取等位基因特异性表达数据，利用mRNA-seq和酶学甲基化测序分别分析转录组与甲基化组，并采用RNA原位杂交验证基因表达空间分布。样本包括自交与杂交胚乳组织及叶片对照，覆盖亲本与F₁代材料。

印迹基因鉴定与特征分析

通过比较杂交胚乳中亲本等位基因读段比例，研究鉴定出157个稳定存在的母源表达印迹基因，其功能显著富集于碳水化合物代谢、胁迫响应等通路。唯一确定的父源表达印迹基因为纤维素合酶类似蛋白基因同源物。基因集富集分析提示睡莲印迹基因可能通过调控营养分配参与种子发育。

亲本特异性DNA甲基化模式

在胚乳中，母源等位基因的CG甲基化水平显著低于父源等位基因，而CHG甲基化则呈现相反趋势。差异甲基化区域分析显示，CG与CHH语境下父源高甲基化区域占主导，CHG语境下母源高甲基化区域更常见。这些模式在叶片中未见，表明其胚乳特异性。

印迹与甲基化的关联性

仅有4个母源表达印迹基因与CG语境下的母源低甲基化区域共存，且印迹基因整体并未显著富集于差异甲基化区域，暗示睡莲中印迹调控可能更多依赖H3K27me3等非DNA甲基化机制。

研究结论指出，睡莲胚乳中印迹基因与亲本特异性DNA甲基化的存在，证实这些机制在二倍体胚乳中已然运作，其起源早于三倍体胚乳的形成。基于睡莲以母源外胚乳为主要储粮组织的特性，作者提出两种演化假说：其一，印迹基因最初即存在于被子植物祖先中，而睡莲谱系因外胚乳的兴起导致父源表达印迹基因丢失；其二，印迹机制呈阶梯式演化，母源表达印迹基因伴随胚乳起源出现，而父源表达印迹基因则随三倍体胚乳演化而生。该研究不仅为理解胚乳表观调控的演化提供了关键证据，更凸显了基部被子植物在揭示种子进化奥秘中的不可替代性。