《Journal of Advanced Research》：DNA methylation regulates asymmetric zygote sub-genome activation in wheat
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本研究针对多倍体植物受精过程中基因转录动态重编程机制不清、DNA甲基化是否参与调控等核心问题，系统揭示了六倍体小麦合子基因组激活（ZGA）的时序特征与表达不对称性，并阐明了DNA甲基化重塑在此过程中的关键调控作用。该工作填补了多倍体ZGA表观遗传调控的认知空白，为通过表观遗传靶点（如VRN1甲基化位点）改良小麦育种提供了新思路。
生命起始于受精卵，但新生命的蓝图如何从父母双方的基因中“唤醒”，一直是发育生物学的核心谜题。在动物中，合子基因组激活（ZGA）通常发生在几次细胞分裂之后，例如人类在八细胞阶段。然而，在开花植物中，这个过程似乎更为提前，例如在拟南芥和水稻中，ZGA在第一次细胞分裂之前就启动了。对于像普通小麦这样的六倍体作物而言，其基因组由A、B、D三个亚基因组“拼合”而成，情况就更加复杂了：在受精后的合子中，这三个来源不同的“基因组团队”如何协调一致地被激活，从而开启胚胎发育的序幕？此外，作为关键表观遗传标记的DNA甲基化，是否以及如何参与调控这一精密的过程？这些问题在以往的研究中知之甚少。发表于《Journal of Advanced Research》的这项研究，正是为了解答这些悬而未决的科学问题。
为了系统揭示小麦受精过程中基因表达与DNA甲基化的动态变化及其互作关系，研究人员开展了一项多组学整合分析。他们以中国广泛种植的冬小麦品种“矮抗58”为材料，通过精密的显微操作技术，成功分离了精子细胞、卵细胞、受精后7小时合子（7 h-zygotes）和受精后24小时合子（24 h-zygotes）等关键生殖细胞。在此基础上，利用RNA测序（RNA-seq）技术绘制了这些细胞的转录组图谱，同时利用全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）技术描绘了其全基因组范围的DNA甲基化模式。通过生物信息学方法，研究人员系统分析了合子基因组激活的动态特征、亚基因组表达的不对称性以及DNA甲基化的重编程过程。此外，研究还采用了半定量PCR（qRT-PCR）对关键基因的表达模式进行了验证，并利用CRISPR-Cas9基因编辑技术对春化核心基因VRN1的不同同源拷贝进行了功能验证。
ZGA occurs before zygotic division in wheat. (小麦合子基因组激活发生在合子分裂之前)
通过比较卵细胞与不同时间点合子的转录组，研究人员发现，在受精后7小时，已有大量基因表达上调；到24小时，另一批基因被激活。这表明显著的两波转录激活事件在第一次细胞分裂前就已发生，证实了小麦ZGA启动于合子分裂之前。对已知细胞类型标记基因（如卵细胞标记基因ECA1、合子相关基因E2F、Wuschel同源基因等）的表达分析，验证了所分离细胞样本的纯度和身份。
DNA methylation levels change dynamically during the transition from egg cell to zygote (从卵细胞到合子的转变过程中DNA甲基化水平发生动态变化)
全基因组DNA甲基化分析显示，小麦配子和合子的DNA甲基化组发生了剧烈重塑。总体而言，三种序列上下文（CG, CHG, CHH）的甲基化水平在合子发育过程中呈逐渐下降趋势，其中24小时合子的甲基化水平最低，与高度分化的叶片组织相似。差异甲基化区域（DMR）分析进一步揭示，从配子（精子和卵细胞）到7小时合子的转变过程中，CHH甲基化的重塑最为显著；而从7小时合子到24小时合子的转变中，CG甲基化的变化占主导。这表明受精后DNA甲基化组立即被重塑。
DNA methylation is involved in ZGA in wheat (DNA甲基化参与小麦的合子基因组激活)
研究人员将受精过程中上调的基因定义为ZGA相关基因，并将其分为三个具有不同时序表达模式的簇。功能富集分析显示，这些基因分别参与基础代谢、胁迫响应和转录调控等过程。重要的是，相当一部分ZGA基因的表达变化与其基因体DNA甲基化水平（尤其是CG和CHG甲基化）的降低呈显著负相关，表明DNA甲基化的丢失与合子基因的转录激活密切相关。这强烈提示DNA甲基化在小麦ZGA中扮演关键调控角色。
DNA methylation regulates asymmetric zygotic sub-genome activation (DNA甲基化调控不对称的合子亚基因组激活)
作为研究的核心发现之一，团队深入分析了六倍体小麦特有的亚基因组表达协调问题。他们发现，在精子和卵细胞中，A、B、D三个亚基因组基因表达相对平衡的同源基因三联体比例较高（精子40.43%，卵细胞30.73%）。然而，受精后，这一比例在7小时合子中急剧下降至14.79%，在24小时合子中回升至27.92%。与此同时，表现为单个亚基因组优势表达的基因对比例则大幅上升。这种亚基因组表达不对称性的剧烈变化，正是小麦ZGA的一个突出特征。进一步分析表明，ZGA基因的亚基因组表达不对称性与DNA甲基化的不对称模式之间存在关联，提示不平衡的DNA甲基化可能参与了合子基因的不对称激活。
Reprogramming of vernalization genes during ZGA in wheat (春化相关基因在小麦ZGA过程中的重编程)
研究还聚焦于一个重要的农艺性状调控基因——春化基因VRN1。该基因是小麦开花时间的关键调控因子，其表达需要在胚胎发育过程中被“重置”，以确保下一代仍需要经历春化才能开花。本研究发现，VRN1在卵细胞中高表达，但在受精后的合子中表达下降，这种转录重编程与其基因位点DNA甲基化水平（特别是CG和CHG甲基化）的动态变化呈强负相关。更有趣的是，VRN1的三个同源拷贝VRN1-5A、VRN1-5B和VRN1-5D在受精过程中的表达和甲基化变化模式并不相同，提示它们可能发生了功能分化。通过CRISPR-Cas9技术创制VRN1-5B和VRN1-5D的突变体并进行表型分析，证实了这一点：VRN1-5B功能缺失会显著延迟小麦抽穗期，而VRN1-5D功能缺失则无明显影响。这为多倍体基因的同源拷贝功能分化提供了直接证据。
综上所述，本研究首次在六倍体小麦中系统描绘了受精早期合子基因组激活的动态图谱与表观遗传蓝图。主要结论包括：1) 小麦ZGA在第一次细胞分裂前启动，呈现两波激活特征；2) DNA甲基化在受精后发生全局性重塑，其动态变化与ZGA密切相关；3) ZGA过程中伴随着显著的亚基因组表达不对称性，DNA甲基化可能参与其调控；4) 核心春化基因VRN1的转录重置与其DNA甲基化状态相关，其不同同源拷贝（VRN1-5B与VRN1-5D）在调控开花时间上存在功能分化。
在讨论部分，作者将小麦的ZGA特征与拟南芥、水稻等二倍体植物以及动物的发现进行了比较，指出了其保守性与多倍体特异性。研究强调了表观遗传重编程，特别是DNA甲基化动态，在协调多倍体复杂亚基因组进行有序转录激活中的核心作用。发现的VRN1同源基因功能分化现象，是多倍体进化中基因亚功能化的一个典型案例。该研究不仅填补了多倍体作物早期胚胎发育表观遗传调控领域的知识空白，其揭示的DNA甲基化调控节点（如VRN1位点）也为未来通过表观遗传育种手段改良小麦开花时间、提高繁殖效率和培育稳产品种提供了全新的潜在靶点和理论依据。
