全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2012, 47 (2): 101–110, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2012.00101
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收稿日期: 2011-09-07; 接受日期: 2011-12-19
基金项目: 国家自然科学基金(No.30870198, No.30870178)
* 通讯作者。E-mail: baoliu@nenu.edu.cn
植物胚乳发育的表观遗传学调控
张美善1, 2, 刘宝2*
1吉林农业大学农学院, 长春 130118; 2东北师范大学分子表观遗传学教育部重点实验室, 长春 130024
摘要 被子植物的种子发育从双受精开始, 产生二倍体的胚和三倍体的胚乳。在种子发育和萌发过程中, 胚乳向胚组织提
供营养物质, 因此胚乳对胚和种子的正常生长发育至关重要。开花植物发生基因组印迹的主要器官是胚乳。印迹基因的表
达受表观遗传学机制的调控, 包括DNA甲基化和组蛋白H3K27甲基化修饰以及依赖于PolIV的siRNAs (p4-siRNAs)调控。基
因组印迹的表观遗传学调控对胚乳的正常发育和种子育性具有不可或缺的重要作用。最新研究显示, 胚乳的整个基因组
DNA甲基化水平降低, 而且去甲基化作用可能源于雌配子体的中央细胞。该文综述了种子发育的表观遗传学调控机制, 包
括基因组印迹机制以及胚乳基因组DNA甲基化变化研究的最新进展。
关键词 DNA甲基化, 胚乳发育, 表观遗传调控, 印迹
张美善, 刘宝 (2012). 植物胚乳发育的表观遗传学调控. 植物学报 47, 101–110.
开花植物的种子由种皮、胚和胚乳组成, 其中胚
乳是禾谷类种子营养物质的贮藏场所。胚乳占据着种
子的绝大部分体积, 是人类粮食的主要来源, 约承担
60%的粮食供应(张莉等, 2004; Berger and Chau-
dhury, 2009)。随着世界人口的不断增长, 开展种子
发育领域的研究对作物改良和粮食增产具有重要意
义。对拟南芥(Arabidopsis thaliana)和玉米(Zea ma-
ys)的分子表观遗传学研究表明, 胚乳的发育受DNA
甲基化、组蛋白甲基化和siRNA的调节, 而这种表观
遗传学调控是通过对印迹基因表达的调节来实现的
(Jullien et al., 2006a; Huh et al., 2007; Berger and
Chaudhury, 2009; Bauer and Fischer, 2011)。印迹
基因可控制有机物在胚乳中的贮藏, 从而影响种子的
大小和质量。随着植物表观遗传学研究的不断深入,
目前关于印迹基因的探索和研究已逐渐成为表观遗
传学和生殖生物学的热点领域之一。本文着重讨论胚
乳的发育特点、印迹基因表达的表观遗传学调控以及
胚乳基因组DNA去甲基化作用。
1 双受精和胚乳发育
被子植物的种子发育是从双受精(double-fertilization)
开始的。在胚珠中 , 当大孢子增大到一定程度时 ,
细胞核进行3次有丝分裂 , 而细胞质不分裂 , 形成
具有卵细胞、中央细胞、助细胞和反足细胞的成熟
胚囊。中央细胞具有2个单倍体极核, 有些植物的2
个极核在受精前融合形成二倍体的中央细胞。在雄
蕊中, 单倍体小孢子进行细胞分裂产生具有2个精
细胞和1个营养细胞的雄配子体, 并通过花粉管传
送到胚囊(Berger and Chaudhury, 2009)。雌配子
体具有单倍体卵细胞和二倍体中央细胞 , 雄配子
体(花粉粒)含有2个单倍体精细胞 , 存在于营养细
胞的细胞质中。在双受精过程中, 一个精细胞与卵
细胞核融合形成受精卵 , 另一精细胞则与中央细
胞融合形成初生胚乳核。受精卵和初生胚乳核将分
别发育成二倍体的胚 (embryo)和三倍体的胚乳
(endosperm)。
被子植物的胚乳不仅是含多倍体核的特化组织,
而且又是不能将遗传物质传递给下一代的终端分化
组织。胚乳的发育过程包括合胞体(coenocytic)、细
胞化 (cellularization)、分化 (differentiation)和死亡
(maturation) 4个阶段。前2个阶段的发生机制在不同
被子植物之间是保守的。在成熟的胚乳中, 最终所有
的淀粉质胚乳细胞全部死亡, 只有最外层细胞(如禾
谷类种子的糊粉层)具有生活力(Alleman and Doctor,
·特邀综述·
102 植物学报 47(2) 2012
2000)。在禾谷类植物中, 胚乳被保留在成熟的干种
子中, 是淀粉、蛋白质等物质的主要贮藏场所, 可为
种子的萌发提供营养物质和植物激素; 而在拟南芥和
许多双子叶植物中, 贮藏物质保存在胚, 而不是胚乳
(旷仁平等, 2006)。关于胚乳的功能, 虽然仍存在争
议, 但多数学者认为受精后母本植株的养分是通过胚
乳内特化的转运细胞(transfer cell)向发育中的胚部
运输(Lopes and Larkins, 1993)。因此, 胚乳的发育
对胚的正常生长是十分重要的(Alleman and Doctor,
2000)。
如前所述, 胚和胚乳分别由2个独立的受精过程
产生, 但它们的遗传物质却相同, 只是所包含的母本
和父本基因组的比例不同。胚乳具有2个母本染色体
和1个父本染色体, 这种母本与父本的比例(2m:1p)对
维持胚乳的正常发育具有重要作用(Lin, 1984; Scott
et al., 1998)。当这种平衡被打乱时, 胚乳将不能正常
发育和成熟。如玉米二倍体母本和四倍体父本杂交产
生的2m:2p型四倍体胚乳, 其体积和重量都变小, 而
且大多数胚乳不能存活; 但3m:1p型四倍体胚乳的形
态和发育都正常 , 且能存活 , 只是其重量比正常
2m:1p胚乳(对照)要小一些(Lin, 1984)。这些研究结果
说明玉米胚乳的发育受亲本染色体份额的影响。
Scott等(1998)在拟南芥的研究中也发现了类似
的现象, 即多余的亲本基因组资源可影响种子的形态
和发育。拟南芥四倍体和二倍体亲本的正反交组合产
生的种子虽能够存活, 但其发育状态和形态都出现了
异常。由四倍体母本和二倍体父本产生的母本超剂量
的种子, 不仅其干重小于正常种子, 而且在种子发育
过程中细胞分裂周期也出现异常, 即胚的分化和胚乳
的有丝分裂减慢 , 胚乳细胞化提前 (Scott et al.,
1998)。与此相反, 由二倍体母本和四倍体父本产生
的父本超剂量的种子干重则大于正常种子, 而且在胚
乳发育过程中产生更多的核, 有丝分裂速度减慢, 胚
乳细胞化延迟(Scott et al., 1998)。但二倍体和四倍体
亲本杂交组合产生的三倍体胚是可育的(Scott et al.,
1998)。此外, 二倍体和六倍体亲本杂交组合产生的
种子也同样出现类似性状, 而且胚乳发育受损程度更
加严重, 种子一般都会败育(Scott et al., 1998)。这些
结果进一步证实了2m:1p的比例对胚乳及种子的正常
发育具有重要作用。
2 印迹基因表达的表观遗传学调控
2.1 印迹基因及其功能
哺乳动物和某些开花植物在有性生殖过程中继承父
本和母本的2套染色体组, 在子代中大多数基因表现
为双等位基因表达, 但部分基因却只有来源于某一特
定亲本的单等位基因表达, 这类基因约占基因总量的
0.1%, 我们将这种表观遗传修饰现象称为基因组印
迹(Reik and Dean, 2001)。哺乳动物中基因组印迹主
要发生于胎盘, 并对早期胚胎、胎儿和胎盘的生长发
育起重要作用。到目前为止, 在植物胚中仅发现1个
印迹基因mee1(maternally expressed embryo 1)
(Jahnke and Scholten, 2009), 其它印迹基因均发现
于胚乳(Jahnke and Scholten, 2009; Hsieh et al.,
2011)。也就是说, 发育中的胚乳是开花植物发生基
因组印迹的主要部位。植物胚乳的功能类似于哺乳动
物的胎盘在胚胎发育中的作用, 在种子发育和萌发过
程中, 胚乳向胚组织提供养分, 确保胚的正常生长发
育以及种子的正常萌发。
相比植物, 哺乳动物印迹基因的研究较深入, 目
前已鉴定了约80个动物印迹基因(Law and Jaco-
bsen, 2010), 而被发现的植物印迹基因数量还非常
有限。近年来, 已鉴定出10个玉米和11个拟南芥的印
迹基因(部分列于表1)。在种子中这些基因大多表现为
母源等位基因表达, 只有拟南芥PHERES1(PHE1)、
HDG3和At5G62110为父源等位基因表达(Köhler et
al., 2005; Gehring et al., 2009)。最近Hsieh等(2011)
又在拟南芥胚乳中发现了43个可能的印迹基因(9个
父本印迹基因和34个母本印迹基因), 它们受具有
DNA去甲基化功能的糖基化酶DEMETER(DME)、DNA
甲基转移酶DNA METHYLTRANSFERASE 1(ME-
T1)或PcG(Polycomb group)蛋白FIS的调节。这些基
因编码转录因子、PcG染色体重塑因子、激素信号相
关蛋白、受泛素调节的蛋白质降解途径的组分、组蛋
白和DNA甲基化调节因子或siRNA途径相关蛋白等
(Hsieh et al., 2011)。
另外, Luo等(2011)采用Illumina高通量测序技术
对日本晴(粳稻)和93-11(籼稻)正反杂交种的胚和胚
乳进行了转录组测序, 并通过统计分析首次从水稻
(Oryza sativa)中发现了262个胚乳的候选印迹位点

张美善等: 植物胚乳发育的表观遗传学调控 103
表1 开花植物中发现的部分印迹基因
Table 1 List of some imprinted genes in flowering plants
印迹基因

编码蛋白 表达等位基
因的亲本
表观遗传标记 参考文献
拟南芥
FIS2 (FERTILIZATION
INDEPENDENT SEED2)
PcG染色体重塑因子 母本 DNA甲基化 Luo et al., 1999
FWA (FLOWERING
WAGENINGEN)
同源框转录因子 母本 DNA甲基化 Kinoshita et al., 2004
MEDEA (MEA) PcG SET结构域蛋白 母本 H3K27甲基化; DNA甲基化 Jullien et al., 2006a
FIE (FERTILIZATION IN-
DEPENDENT ENDO-
SPERM)
PcG复合体(WD group) 母本 未知 Luo et al., 2000
PHE1 (PHERES1) MADS-box转录因子 父本 H3K27甲基化; DNA甲基化 Köhler et al., 2005
MPC (MATERNALLY
EXPRESSED PAB
C-TERMINAL)
PABPs(polyA binding
proteins)C末端结构域基因
母本 DNA甲基化 Tiwari et al., 2008
HDG9 HD-ZIP转录因子 母本 DNA甲基化 Gehring et al., 2009
HDG3 HD-ZIP转录因子 父本 DNA甲基化 Gehring et al., 2009
HDG8 HD-ZIP转录因子 母本 DNA甲基化 Gehring et al., 2009
MYB3R2 MYB转录因子 母本 DNA甲基化 Gehring et al., 2009
At5G62110 同源结构域相似蛋白 父本 DNA甲基化 Gehring et al., 2009
玉米
fie1 (fertilization-independent
endosperm 1)
PcG染色体重塑因子 母本 DNA甲基化; 组蛋白甲基化 Danilevskaya et al.,
2003
fie2 (fertilization-independent
endosperm 2)
PcG染色体重塑因子 母本 DNA甲基化 Danilevskaya et al.,
2003
meg1 (maternally expressed
gene 1)
半胱氨酸富集多肽基因 母本 DNA甲基化 Gutiérrez-Marcos et
al., 2006
mez1 (maize E-like gene 1) PcG SET结构域蛋白 母本 DNA甲基化; 组蛋白甲基化 Haun et al., 2007
nrp (no-apical-meristem-
related protein)
NAM家族转录因子 母本 组蛋白甲基化 Guo et al., 2003
mee1 (maternally expressed
embryo 1)
未知 母本 未知 Jahnke and Scholten,
2009


和3个胚的候选印迹位点, 进而利用实验方法验证了其
中的56个胚乳印迹位点和1个胚印迹位点。他们发现,
水稻中的印迹表达主要发生在胚乳, 这与拟南芥的印
迹现象相同。然而, 拟南芥和水稻之间全基因组范围候
选印迹基因序列比较分析结果表明, 它们之间保守性
较低, 说明基因组印迹在不同种植物之间是独立发生
和进化的。有趣的是, 与拟南芥序列高度同源的水稻少
数候选印迹基因与表观遗传调控相关, 包括DNA甲基
化、组蛋白甲基化和小RNA途径(Luo et al., 2011)。
在已发现的拟南芥印迹基因中, 有些基因被证实
具有调节胚乳细胞分裂、生长以及调节养分运输的功
能(Berger and Chaudhury, 2009), 但目前大多数印
迹基因在植物发育过程中的具体功能还不清楚。目前,
对于拟南芥中编码PcG复合体的重要印迹基因ME-
DEA (MEA)、FERTILIZATION INDEPENDENT SE-
ED 2 (FIS2) 和 FERTILIZATION INDEPENDENT
ENDOSPERM (FIE)的研究较为深入。研究表明, 其
中任何一个基因产生突变而丧失功能时, 无论授野生
型花粉或自交授粉, 它们的杂合体均产生50%的败育
种子, 且种子败育的表型比较相似, 即胚乳在经过早
期的游离核阶段后不能正常进入细胞化阶段, 因而形
成无细胞壁的幼稚型胚乳。由于这种胚乳的结构和功
能不健全, 导致胚的发育停滞在心形阶段, 不能进一
步分化(张红宇等, 2010)。这些印迹基因突变的另一
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个表型是在未受精的情况下, 中央细胞核自动分裂形
成二倍体胚乳。说明这些印迹基因的功能之一是在未
受精的条件下, 抑制中央细胞核的分裂和胚乳的产生
(Gehring et al., 2004)。
从进化的角度解释基因组印迹, 一个广泛被人们
所接受的观点是亲本冲突假说(parental conflict theo-
ry)(Feil and Berger, 2007; Berger and Chaudhury,
2009; Hsieh et al., 2011)。亲本冲突假说认为在亲本
将遗传资源分配到子代的过程中, 母本、父本和子代
之间存在着利益冲突。雌配子体由于可以与多个雄配
子体相遇, 使一个母本可以同时产生多个不同父本的
子代, 这将会导致其所有的子代都具有相同的母本基
因组和不同的父本基因组。这时, 父本基因组将竞争
母本资源, 为其子代争取尽可能多的母本资源。但母
本则要下调父本的这种遗传倾向, 从而保证向每个子
代均匀分配其基因资源 (Berger and Chaudhury,
2009)。因此, 促进母本资源分配的基因应在父本表
达, 而限制母本资源分配的基因应在母本表达, 以与
父本对抗。从这一观点来看, 促进生长基因应由父本
控制, 限制生长的基因应在母本的控制之下(Raissig
et al., 2011)。胚乳作为获取资源的组织, 成为一个能
体现亲缘效应特异基因表达(即基因印迹表达)的部
位。亲本冲突假说可以解释相同倍性或不同倍性的亲
本杂交组合产生的胚乳中为什么会出现各种不同的
发育情况。如增加母本等位基因的剂量会抑制种子的
生长, 增加父本等位基因的剂量则会促进种子的生
长, 即父源与母源等位基因对胚乳生长与发育的影响
是对立的(Lin, 1984; Scott et al., 1998; Haig, 2004)。
除了亲本冲突假说外, 人们还提出了其它假说来解释
基因组印迹的进化, 如有些假说认为开花植物基因组
印迹是防止其孤雌生殖发生的有效手段之一(Berger
and Chaudhury, 2009; 张红宇等, 2010)。
2.2 DNA甲基化对印迹基因的调控
在开花植物中, DNA甲基化可以使转座子(transpo-
sable element, TE)和其它重复序列沉默(Henderson
and Jacobsen, 2007)。植物中DNA甲基化发生于
CG、CHG(H为A、C或T)和CHH序列, 主要存在于转
座子和其它重复序列中(Zhang et al., 2006)。在拟南
芥中 , DNA从头甲基化由与动物中DNMT3同源的
DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERA-
SE 2 (DRM2)催化建立, 并以3种不同途径维持; CG
甲基化由与动物中DNMT1同源的DNA甲基转移酶
DNA METHYLTRANSFERASE 1 (MET1)所维持 ;
CHG甲基化由植物特有的DNA甲基转移酶CHRO-
MOMETHYLASE 3 (CMT3)所维持; CHH甲基化则依
靠DRM2建立和维持。植物中DNA主动去甲基化是依
靠DNA糖基化酶(DNA glycosylase)的活性, 可能通
过碱基切除修复(base excision repair, BER)途径完
成(Zhu, 2009)。拟南芥的DNA糖基化酶家族包括
DEMETER(DME)(Choi et al., 2002)、REPRESSOR
OF SILENCING 1(ROS1)(Gong et al., 2002)、DEM-
ETER-LIKE 2 (DML2)和DEMETER-LIKE 3 (DML3)
(Ortega-Galisteo et al., 2008)。DNA甲基化具有2个
重要功能, 即基因组防御功能和对基因表达的调节作
用(Chan et al., 2005)。
近年来, 很多研究发现DNA甲基化与基因组印
迹有关(Choi et al., 2002; Xiao et al., 2003; Kinosh-
ita et al., 2004; 张文伟等, 2005)。拟南芥印迹基因
FIS2、MPC(MATERNALLY EXPRESSED PAB C-
TERMINAL)和FWA(FLOWERING WAGENINGEN)
在整个植物生命周期中保持沉默, 直到配子体形成阶
段。这些基因的沉默是由维持CG甲基化的DNA甲基
转移酶MET1在配子体形成过程中维持精细胞中
FIS2、MPC和FWA的甲基化状态来实现的 (Kin-
oshita et al., 2004; Jullien et al., 2006b; Tiwari et al.,
2008)。此外, DNA糖基化酶DME以其去甲基化功能
参与拟南芥胚乳发育过程中基因组印迹的建立。花粉
中未发现DME的表达, 并且父源等位基因dme突变
体种子的发育也正常。然而, 母源等位基因dme突变
体种子却表现发育异常和败育 , 说明中央细胞中
DME的活性对受精后种子的发育非常重要(Choi et
al., 2002; Gehring et al., 2006)。DME在中央细胞中
特异表达, 并除去印迹基因(如MEA、FWA、MPC和
FIS2等)中母源等位基因的5-甲基胞嘧啶, 导致受精
后胚乳的甲基化水平降低。然而, 父源等位基因的甲
基化状态仍然由MET1所维持, 从而建立胚和胚乳之
间甲基化的不对称结构, 并导致受精后胚乳表现母源
等位基因表达、父源等位基因沉默的现象, 即所谓择
亲表达或基因印迹表达 (Kinoshita et al., 2004;
Jullien et al., 2006b; Tiwari et al., 2008; Gehring et
al., 2009)。如果接受发生去甲基化的met1突变体父
张美善等: 植物胚乳发育的表观遗传学调控 105
本的花粉, 则在胚乳中FWA、FIS2和MPC的父源等
位基因能够表达(Luo et al., 1999; Kinoshita et al.,
2004; Tiwari et al., 2008)。这说明DNA甲基化是
FWA、FIS2和MPC基因印迹表达的调控因子, 即在
中央细胞中MET1未能维持甲基化状态, 并由DME去
除了母源等位基因的甲基化。但MEA则不同, 即使接
受met1的花粉, 其胚乳中的父源等位基因仍不表达
(Gehring et al., 2006; Jullien et al., 2006a)。说明除
了由DME引起的DNA去甲基化作用外, 可能还存在
其它基因印迹调控机制。
与拟南芥类似, 玉米的2个印迹基因fie1(fertiliza-
tion-independent endosperm 1)和 fie2(fertilization-
independent endosperm 2)在雌雄配子体之间也存
在甲基化水平的差异(Gutiérrez-Marcos et al., 2006;
Hermon et al., 2007)。Gutiérrez-Marcos等(2006)分
离出雌、雄配子体并测定了其甲基化水平, 发现fie1
基因在卵细胞和精细胞中保持高度甲基化, 而在中央
细胞中却发生了去甲基化, 即中央细胞的甲基化水平
低于卵细胞或精子中的甲基化水平。而且在玉米种子
发育过程中, fie1基因在营养器官、花粉或卵细胞中不
表达, 但在受精后几天的胚乳中表达, 而且只有母源
等位基因表达(Danilevskaya et al., 2003)。他们进一
步证实了与保持沉默的父源等位基因相比, 母源等位
基因在转录起始点附近600 bp区域发生了去甲基
化作用 (hypomethylation)(Gutiérrez-Marcos et al.,
2006)。因此, 卵细胞与中央细胞的甲基化差异是在
未经历DNA复制的情况下发生的, 说明在此过程中
存在DNA的主动去甲基化机制。在胚乳早期发育过程
中, 玉米的另一印迹基因fie2表现母源单等位基因表
达, 但随着胚乳的发育逐渐出现父、母源双等位基因
表达(Danilevskaya et al., 2003)。在中央细胞或精细
胞中未检测到超甲基化(hypermethylation), 但在胚
乳中父源等位基因发生了超甲基化 (Gutiérrez-
Marcos et al., 2006)。因此, 胚乳的父、母源等位基
因之间DNA甲基化差异不是在中央细胞或精细胞中
建立的, 而是在受精之后胚乳父源等位基因发生了从
头甲基化的结果。玉米胚乳印迹基因mez1与果蝇
(Drosophila melanogaster)E(z)及拟南芥MEA基因同
源(Haun et al., 2007)。玉米胚乳中mez1的母源等位
基因发生去甲基化并表达, 而父源等位基因发生超甲
基化且沉默。
综上所述, 胚乳是发生DNA甲基化变异和印迹
基因表达的主要部位, 但因为胚乳是终端分化组织,
胚乳印迹基因中发生的遗传和表观遗传变异将不会
传递给下一代, 在中央细胞内建立及受精后胚乳中所
维持的印迹无需在每代中重新设定, 这是一种非常有
趣的单向表观遗传控制(Kinoshita et al., 2004)。
最近, Schoft等(2011)在拟南芥的研究中发现雄
配子体的营养细胞中也存在类似于中央细胞的DNA
甲基化和基因表达调控现象。即DME在拟南芥花粉中
表达, 但在从花粉分离出来的精细胞中却未能检测到
DME的mRNA, 暗示DME只在营养细胞中表达。同
时, 亚硫酸盐测序结果表明, 与精细胞基因组相比,
在营养细胞基因组中有2个印迹基因(MEA和FWA)和
1个转座子(Mu1a)发生了去甲基化。此外, 在花粉中
能够检测到MEA和FWA的mRNA, 而在分离出来的
精细胞中却检测不到, 说明这2个印迹基因主要在营
养细胞中表达。这些研究结果说明了DME在雄配子体
的营养细胞基因组中活跃表达并引起某些基因和转
座子的去甲基化(类似于雌配子体的中央细胞)。虽然
营养细胞基因组不参与双受精, 但其DME介导的去
甲基化对雄配子体的育性可能起重要的调控作用
(Schoft et al., 2011)。
2.3 组蛋白甲基化对印迹基因的调控
MEDEA(MEA)基因编码种子育性所需的SET[Su
(var), enhancer of zeste [E(z)] and trithorax]结构域
Polycomb蛋白(与果蝇中发现的Polycomb蛋白E(Z)
同源)(Luo et al., 1999)。Polycomb蛋白可在基因组的
特定区域形成复合物, 通过组蛋白(H3K27)的甲基化
修饰作用进行染色质重塑 , 抑制特定基因的转录
(Gehring et al., 2004)。拟南芥mea突变体的表型主
要是未受精的角果伸长和种子败育。MEA的功能是防
止未受精中央细胞核的分裂, 并限制受精后胚乳的过
度增殖(Gehring et al., 2004)。
MEA基因在胚乳中只有母源等位基因表达, 父
源等位基因沉默, 从而调控胚乳的正常发育。MEA基
因的印迹表达与DNA甲基化有关, 其启动子区域和3′
端串联重复序列区域存在甲基化位点。胚乳中母源等
位基因在这些位点的甲基化水平低于父源等位基因
以及胚的父、母源等位基因的甲基化水平(Gehring et
al., 2006), 而且在胚乳发育早期只有母源MEA基因
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表达, 而父源等位基因不表达(Choi et al., 2002)。另
外 , MEA的表达依赖于DME(Xiao et al., 2003;
Gehring et al., 2006)。但在另一方面, MEA即使遇到
去甲基化的met1突变体父本, 胚乳中其父源等位基
因也不表达, 即met1突变的雄配子体仍能维持胚乳
中MEA的印迹表达。说明MEA的沉默并不直接受
DNA甲基化的调节(Gehring et al., 2006; Jullien et
al., 2006a)。
在营养器官中, MEA基因的沉默是由PcG (poly-
comb group)复合体介导的组蛋白H3第27位赖氨酸
三甲基化(H3K27 trimethylation, H3K27me3)引起的
(Gehring et al., 2006; Jullien et al., 2006a)。对全基
因组范围DNA甲基化和H3K27me3的测定结果证实
了在MEA位点存在H3K27甲基化 (Zhang et al.,
2007b)。H3K27me3的突变体表现为失去PcG活性,
引起花粉和营养器官中MEA的异常表达, 而且胚乳
中MEA的印迹表达也受阻。这说明使MEA沉默的因
素主要是H3K27甲基化, 如果要使MEA表达, 需要在
雌配子体形成过程中去除H3K27甲基化标记(Gehr-
ing et al., 2006; Jullien et al., 2006a)。虽然H3K27
去甲基化的机制尚不清楚, 但是MEA的表达仍需要
DME的去甲基化功能(Choi et al., 2002)。可以推测
MET1和DME间接地通过某种途径去除MEA位点上
的H3K27甲基化标记 , 从而实现印迹表达 (Berger
and Chaudhury, 2009)。
玉米印迹基因Maize enhancer of zeste 1 (mez-
1)与拟南芥MEA基因同源(Haun et al., 2007), 其父
源等位基因的沉默也由H3K27的甲基化引起(Haun
et al., 2007)。Raissig等(2011)利用染色质免疫沉淀
技术和等位基因特异RT-PCR技术 , 检测了玉米
mez1、fie1和nrp1位点特异组蛋白标记的丰度, 发现
这3个沉默的父源等位基因确实显示了丰富的H3K27
二和三甲基化(di- and tri-methylation)。此外, 胚乳中
父源等位基因表达的拟南芥印迹基因PHE1, 其母源
等位基因沉默与胚乳中PcG的活化和DNA甲基化有
关(Köhler et al., 2005)。虽然在哺乳动物和植物中已
经有不少实验证据表明PcG参与了组蛋白甲基化并
与印迹表达有关, 但这可能不是使等位基因沉默的本
质性因素。关键问题是要了解MEA和PHE1等基因的
H3K27甲基化标记的去除机制(Berger and Chaud-
hury, 2009)。
2.4 p4-siRNA的产生和印迹基因
Mosher等 (2009)首次在拟南芥p4-siRNAs(依赖于
PolIV的siRNAs)研究中发现, 很多p4-siRNAs只在中
央细胞和正在发育的胚乳中积累, 且在胚乳组织中主
要由其母源等位基因表达产生。同时, 雌配子体中p4-
siRNAs的生物合成所需基因NRPD1A、DCL3(DICER-
LIKE 3)和RDR2(RNA-DEPENDENT RNA POLYM-
ERASE 2)等活跃表达, 暗示胚乳特异去甲基化的调
节与 p4-siRNAs的合成密切相关 (Mosher et al.,
2009)。DME在中央细胞中表达, 导致母本基因组发
生去甲基化, 而去甲基化的基因组又为p4-siRNAs的
生物合成提供了有利条件。中央细胞与精细胞完成受
精之后, p4-siRNAs的母源等位基因持续表达, 但父
源基因组并不提供p4-siRNAs合成的模板, 因而母源
p4-siRNAs 能够调节母源及父源转座子和基因
(Mosher et al., 2009)。这个假说暗示了基因组印迹的
进化以及p4-siRNAs的潜在功能。
p4-siRNAs的一个可能功能是加强转座子的沉
默。Slotkin等(2009)发现花粉营养细胞(终端细胞)中
甲基化的丢失和转座子的激活伴随着21 bp siRNAs
的合成增加, 因此认为如果打破营养细胞中转座子的
沉默, 使其激活, 则可以促进siRNAs的合成, 进而能
加强对精细胞核中转座子的沉默。这与雌配子体中央
细胞中的机制相似, 中央细胞转座子的去甲基化促进
了p4-siRNAs表达, 并传递至卵细胞, 从而加强了卵
细胞或发育初期的胚组织中重复序列(转座子)的沉默
(Slotkin et al., 2009)。转座子的沉默在雄、雌配子体
中都得以加强, 暗示在生殖循环过程中的单倍体阶段
转座子沉默和保持稳定的重要性。另外, 在胚乳发育
过程中, 由母源等位基因产生的p4-siRNAs进行传递
并调节母源或父源等位基因的转录稳定性(Galloway,
2005)。
3 胚乳基因组DNA去甲基化作用
如前所述, DNA去甲基化作用发生于胚乳中分散分布
的印迹基因位点(Huh et al., 2008)。不仅如此, 近年
来对拟南芥、玉米和高粱(Sorghum bicolor)等植物不
同器官的甲基化水平和模式的研究发现, 与胚、叶片
等器官相比, 胚乳的甲基化水平明显下降, 即在胚乳
中发生显著的去甲基化现象(Kinoshita et al., 2004;
张美善等: 植物胚乳发育的表观遗传学调控 107
Lauria et al., 2004; Zhang et al., 2007a)。最近, 甲
基胞嘧啶免疫共沉淀技术和亚硫酸盐深度测序技术
已被广泛应用于不同植物组织甲基化状态的检测。对
拟南芥(Gehring et al., 2009; Hsieh et al., 2009)和水
稻(Zemach et al., 2010)胚乳和胚的全基因组DNA甲
基化测序结果显示: 胚乳基因组的DNA甲基化水平
显著降低; 胚乳中去甲基化较多发生于转座子区域和
产生siRNA的区域; 胚乳的低甲基化状态可能源于雌
配子体的中央细胞(Gehring et al., 2009; Hsieh et al.,
2009)。
另一方面, 在dme突变体胚乳组织中CG甲基化
水平增加, 虽未达到野生型胚的甲基化水平, 但足以
说明DME是引起胚乳基因组大规模去甲基化的主要
原因 , 即DNA糖基化酶似乎起到了调节全基因组
DNA甲基化的作用(Gehring et al., 2009; Hsieh et
al., 2009)。但Hsieh等(2009)和Zemach等(2010)发现
胚乳和胚中也有一些CHG或CHH位点发生了超甲基
化。CHG和CHH甲基化的途径一般不同于CG, 是由
siRNA介导的DNA甲基化(RNA- directed DNA me-
thylation, RdDM)途径完成的(Chan et al., 2005)。胚
乳中CHG和CHH甲基化水平升高 , 说明这可能与
RNA介导的DNA甲基化有关, 与Mosher等(2009)发
现的在胚乳中母源p4-siRNA积累的结果一致。如前所
述, 中央细胞产生的siRNAs可能强化卵细胞和正在
发育的胚中转座子及基因沉默(Hsieh et al., 2009)。
另外, 拟南芥和水稻胚乳基因组中转座子区域发生去
甲基化, 说明TE相关序列也可能参与印迹基因的表
达调控(Gehring et al., 2009; Hsieh et al., 2009;
Zemach et al., 2010; Raissig et al., 2011)。Gehring
等(2009)则认为基因组印迹可能是基因组防御和基
因表达调节所产生的副产品。
拟南芥和水稻等植物胚乳中发生全基因组范围
的去甲基化, 而且中央细胞中发生去甲基化的目标区
域似乎并不局限于印迹基因 , 而涉及更大范围的
DNA甲基化的重塑过程, 这会导致转座子的广泛激
活。如果转座子被重新激活, 可能会产生某些不利突
变(Lisch, 2009)。但因为胚乳是终端分化组织, 被
DME激活的转座子引起的突变将不会遗传给下一代。
至于在配子体形成过程中, DME的去甲基化作用是针
对基因组的多个特异性位点还是无选择性地去除甲
基化, 有待进一步的研究和证实。
4 结语和展望
近年来, 关于种子发育及基因组印迹的分子机制研究
取得了重大进展, 并在拟南芥、水稻等植物中发现了
胚乳全基因组DNA甲基化的大范围降低。印迹基因在
植物种子的胚和胚乳生长发育及种子育性方面起着
重要的调控作用。从目前的研究结果来看, 在种子发
育过程中, DNA甲基化、与PcG蛋白相关的组蛋白甲
基化和依赖于PolIV的siRNAs(p4-siRNAs)等表观遗
传调控机制可能参与了印迹基因表达的调节。随着对
基因组印迹调控机制的不断深入研究, 以及在拟南
芥、玉米、水稻和其它植物中新印迹基因的不断被发
现和鉴定, 相信基因组印迹在种子发育中的功能以及
其与多种表观遗传标记之间的相互关系将会逐渐被
揭示。但是基因组印迹的调控机制非常复杂, 仍有很
多问题尚待进一步探索。这些问题包括印迹位点是如
何维持的; 在MEA、PHE1、FIS2和FWA等印迹基因
中已经确立的机制是否具有普遍适用性; 各种印迹基
因在种子发育过程中具有哪些具体功能等。随着第2
代测序技术的发展, 表观遗传组学与转录组学方面的
数据将会得到极大丰富 , 如通过比较母源和父源
RNA seq数据, 即可以获取大量候选印迹基因。这将
使人们对种子发育的表观遗传学调控机制的认识
更加丰富, 最终将实现提高作物产量及改善品质的中
目标。
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110 植物学报 47(2) 2012
Epigenetic Regulation in Plant Endosperm Development
Meishan Zhang1, 2, Bao Liu2*
1Department of Agronomy, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China
2Key Laboratory of Molecular Epigenetics of Ministry of Education, Northeast Normal University, Changchun 130024, China
Abstract In angiosperms, seed development initiates from double fertilization, which produces a diploid embryo and a
triploid endosperm. The endosperm, a terminally differentiated tissue that nourishes the embryo during seed development
and germination, is the prominent tissue of imprinting in plants. Proper endosperm development is crucial for normal
embryo and seed development. The expression of imprinted genes is regulated by epigenetic mechanisms, including
DNA methylation, H3K27 trimethylation and PolIV-dependent siRNA (p4-siRNA). Such epigenetic regulation of imprinting
is vital to proper endosperm development and seed viability. Recent studies show that endosperm DNA methylation is
reduced genome-wide, which likely originates from demethylation in the central cell nucleus of the female gametophyte.
This review focuses on the latest research advances in the epigenetic regulation in plant seed development, including the
mechanism of plant genomic imprinting and dynamics of the genome-wide demethylation in endosperm.
Key words DNA methylation, endosperm development, epigenetic regulation, imprinting
Zhang MS, Liu B (2012). Epigenetic regulation in plant endosperm development. Chin Bull Bot 47, 101–110.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: baoliu@nenu.edu.cn
(责任编辑: 白羽红)