全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (12): 1801~1808　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0431 1801
收稿 2014-10-08　　修定 2014-11-14
资助 中央高校基本科研业务费专项(DL12CA10)和国家基础科
学人才培养基金(J1210053)。
* 通讯作者(E-mail: icyhf@yahoo.com; Tel: 0451-82191783)。
被子植物配子形成过程中表观遗传学调控
刘茜阳, 罗云, 李桥, 闫海芳*
东北林业大学生命科学学院, 哈尔滨150040
摘要: 配子(gamete)是指生物进行有性生殖时由生殖系统所产生的成熟性细胞。DNA甲基化和小RNA诱导沉默机制调控
营养细胞、中央细胞和精子细胞的发育。组蛋白修饰可使卵细胞和中央细胞形成各自鲜明的表观遗传特点, 也可调控精
子染色质的状态。本文综述了雌雄配子发育的表观遗传学调控机制, 包括DNA甲基化、小RNA诱导沉默、染色质修饰和
组蛋白修饰等方面研究的最新进展。
关键词: 被子植物; 雌雄配子体; 表观遗传学; 甲基化
Epigenetic Regulation in Angiosperm Gamete Development
LIU Xi-Yang, LUO Yun, LI Qiao, YAN Hai-Fang*
College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
Abstract: Gametes is generated by the mature cells in reproductive system when biological sexual reproduction
occur. The development of vegetative cell, central cell and sperm cell, which is regulated by the inducing si-
lencing mechanisms of DNA methylation and small RNA. The histone modification can make the egg cell and
center cell form their own particular hereditary features, and it can also control the state of the sperm chromatin.
This review focuses on the latest research advances in the epigenetic regulation in plant gamete development,
including DNA methylation, small RNA-induced silencing, gene imprinting, chromatin modification and his-
tone modifications.
Key words: angiosperms; male and female gametophyte; epigenetics; mthylation
被子植物(angiosperm)又称绿色开花植物, 具
有完整的繁殖器官、完善的生殖过程和极强的适
应能力。被子植物进行减数分裂产生大小孢子,
其中小孢子(单核花粉粒)发育为雄配子体, 大孢子
发育为成熟的雌配子体(张建2013)。雌雄配子在
研究植物体生长发育中占有相当重要的地位。
表观遗传学(epigenetics)是研究表观遗传变异
的遗传学分支学科(Bird 2007)。表观遗传学的信
息可以在世代间进行传递, 即使表观遗传信息只
产生小规模的遗传变异, 也会影响物种的进化方
向(Jablonka 2012)。目前, 对于植物表观遗传调控
研究是被子植物雌、雄配子发育的研究的重要方
向。本文从表观遗传重编程、DNA甲基化、小
RNA和组蛋白修饰等方面来阐述配子体的表观遗
传调控对被子植物配子体生长发育的影响。
1 植物中的表观遗传学
表观遗传学是研究基因的遗传改变, 而DNA
序列不变的一门生物学分支(Wu和Morris 2001)。
目前认为基因组含有两类遗传信息: 一类是传统
意义上的遗传信息, 即DNA序列所提供的遗传信
息; 另一类是表观遗传学信息(文璐等2009)。近年
来, 研究发现表观遗传学调控机制与植物的生长
发育、繁殖、胁迫应答和表观遗传多态性等有关,
并影响被子植物的表型多样化、生理适应性以及
被子植物进化等过程(Migicovsky和Kovalchuk
2012)。
1.1 DNA甲基化
DNA甲基化(DNA methylation)是指在DNA甲
基转移酶(DNA-methyltransferases, DNMTs)的催化
下, CpG二核苷酸中的胞嘧啶选择性地添加甲基,
形成5-甲基胞嘧啶(Goll和Bester 2005)。DNA甲基
转移酶有两种, 第一种的主要作用是维持甲基化
(如DNMT1), 它能使半甲基化的DNA双链分子上
与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化, 也可参与
DNA复制过程中新合成链的甲基化 (Weber等
植物生理学报1802
2007); 第二种酶的主要作用是形成甲基化(如DN-
MT3a和DNMT3b), 能在未发生甲基化的DNA双链
上进行甲基化 ( O k a n o等1 9 9 9 )。甲基转移酶
DNMT2在催化DNA从头甲基化过程中起主要作
用, 它可通过甲基转移酶1 (methyltransferase1,
MET1)-、染色质域甲基酶(chromomethylase,
CMT)-和域重排甲基转移酶(domains rearranged
methyla, DRM2)-依赖途径进行甲基化(Chan等
2005; Law等2010)。
DNA甲基化通常与基因沉默有关, 而DNA去
甲基化则与基因的活化有关(Goldberg等2007; Ber-
nstein等2007)。在拟南芥生殖器官中, 二甲醚(pro-
tein demeter, DME)与碱基切除修复机制共同作用
使DNA去甲基化。该途径的主要过程是除去5-甲
基胞嘧啶和添加一个可取代它的胞嘧啶(Choi等
2002)。
从1948年起研究者们开始研究DNA碱基的共
价修饰, 直到1969年Griffith和Mahler才发现DNA
碱基的共价修饰可以调节基因表达。现在利用全
基因组微阵列技术构建高分辨率的胞嘧啶甲基化
图谱已经证实胞嘧啶甲基化修饰多发生于着丝粒
区域重复序列上(Chekanova等2007)。基因组中三
分之一的开放阅读框都可发生甲基化修饰, 而启
动子区仅5%发生甲基化修饰, 且经过甲基化修饰
后基因表达水平普遍降低(Lippman等2004)。
1.2 转座因子与小RNA
转座子(transposable element, TEs)通常是异染
色质, 具有转录沉默的特性, 它们在真核基因组结
构中起关键作用(Migicovsky和Kovalchuk 2012)。
激活后的TEs可插到基因组的重要区域或使基因
发生重排, 导致基因组的稳定性降低, 对植物本身
造成极为不利的影响。为了应对这种情况, 许多
真核生物必须确保T E s以不活跃的形式存在
(Biemont 2009)。TEs在基因组中起重要作用, 如染
色质的形成和着丝粒功能的执行等(van der Heijen
和Bortvin 2009)。所以基因组中一直存在TEs, 但
基因组会利用小RNA, 让TEs保持沉默(Biemont
2009)。
配子发生过程中的去甲基化作用有助于揭示
基因组内TEs的表达或沉默的机制。这种机制的
好处是即使新整合的TEs表达也会产生siRNA, 使
新的TEs沉默(Law和Jacobsen 2010)。Teixeira等
(2009)的研究表明, 即使拟南芥基因组中已失去甲
基化修饰, 基因座产生的siRNA也可重新使基因组
发生甲基化。被子植物配子体中, 小RNA引起的
TEs沉默在维持基因组完整性方面发挥重要作用
(Mosher和Melnyk 2010)。
1.3 组蛋白修饰和组蛋白替换
组蛋白参与基因组中转录、复制、染色体凝
集以及DNA修复等过程。组蛋白乙酰化主要发生
在H3、H4的N端比较保守的赖氨酸位置上, 由组
蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进行,
这种修饰有助于控制基因表达(Hauser等2011)。
拟南芥印迹基因可通过聚硫簇的活动使组蛋
白赖氨酸3第27位发生甲基化(H3K27me) (Jullien
和Berger 2009)。赖氨酸甲基化是基因表达调控中
一种较为稳定的标记。例如, H3第4位的赖氨酸残
基甲基化与基因激活相关, 而第9位和第27位赖氨
酸甲基化与基因沉默相关。
拟南芥基因组中包含的组蛋白3个相关基因
(histone three related, HTR)分为四大类: (1) H3.1,
由5个基因 (HTR1、HTR2、HTR3、HTR9和
HTR13)编码; (2) H3.3, 由3个基因(HTR4、HTR5和
HTR8)编码; (3)异常H3变体, 由4个基因(HTR6、
HTR10、HTR14和HTR15)编码(Ingouff和Berger
2010); (4)不同着丝粒H3变种(CENH3/HTR12)
(Talbert等2002), 由剩余的基因(HTR7和HTR11)转
录编码。通过分析拟南芥中整个HTR基因家族的
表达, 表明体细胞中H3变体都表达, 并且在染色质
中H3.1和H3.3变体分别与异染色质和常染色质保
守区相关联(Ingouff等2010)。
2 表观遗传调控被子植物配子体
2.1 雌配子与表观遗传学
雌性生殖单位是指由卵细胞、助细胞和中央
细胞组成的结构单位, 也是与受精直接相关的功
能单位(国凤利和胡适宜1997)。雌性生殖单位是
胚囊准备受精时组成的一个临时性单位, 在其功
能结束后自行解体, 以保证胚和胚乳的各自发育
(彭雄波和孙蒙祥2007)。
2.1.1 雌配子体的印迹基因 印迹基因可导致后代
体细胞中来源于两个亲本的等位基因产生不同的
表达方式。雌性配子发生过程中, 印迹基因MSI1
(multicopy suppressor of IRA1)与RBR1 (retinoblas-
toma related protein)相互作用可抑制MET1的转录
刘茜阳等: 被子植物配子形成过程中表观遗传学调控 1803
(Migicovsky和Kovalchuk 2012)。MSI1/RBR1-依赖
的被动去甲基化途径可激活二甲醚相关的主动去
甲基化途径(Jullien等2008)。亲本产生的印迹基因
会影响特定等位基因的表达水平, 也会导致等位基
因在子代与亲本中的表达有差异(Gehring等2004)。
Jahnke和Scholtenn (2009)发现玉米胚胎中存
在印迹基因, 通过原位杂交发现母本表达胚胎1
(MEE1)基因在整个胚胎中均表达。Hsieh等(2011)
已发现200多个印迹基因, 但在植物中确切数目和
功能不详。近年来, 已经初步鉴定出印迹基因参
与编码PcG (polycomb group)蛋白、染色体重塑因
子、激素信号相关蛋白、组蛋白和DNA甲基化调
节因子或siRNA途径相关蛋白等过程(Hsieh等
2011)。其中大多数基因属于母源等位基因, 只有
拟南芥中的ERES1 (PHE1)、HDG3和At5G62110
属于父源等位基因(Gehring等2009)。
拟南芥中编码PcG复合体的重要印迹基因
ME-DEA (MEA)、FERTILIZATION INDEPEN-
DENT SE-ED 2 (FIS2)和FERTILIZATION INDE-
PENDENT ENDOSPERM (FIE)具有调节胚乳细胞
分裂、生长以及调节养分运输的功能(Berger和
Chaudhury 2009)。胚乳中DNA低甲基化产生的靶
基因可抑制PcG蛋白的活性, 表明PcG蛋白建立的
表观遗传印迹可抑制母系遗传的等位基因表达
(Weinhofer等2010)。
FIS与polycomb repressive complex 2 (PRC2)
复合体(由MEA、FIS2、FIE和MSI1组成)在雌配子
体中央细胞和胚乳中处于活跃状态, 并且是胚乳正
常发育过程中必不可少的(Hennig和Derkacheva
2009)。此外一些父系表达基因(paternally ex-
pressed gene, PEG)的表达依赖于FIS-PRC2复合体
的存在(Hsieh等2011), 而母系表达基因(MEG)是
FIS-PRC2复合体的靶位点, 它不会导致基因完全
沉默但会抑制雌配子中MEG等位基因表达。
拟南芥FIS-PRC2复合体重复区域中PEG
PHERES1 (PHE1)启动子区的去甲基化导致母本
等位基因PHE1沉默, 表明此重复区域与PcG蛋白
之间的相互作用能有效沉默PHE1基因的表达(Vil-
lar等2009)。PHE1基因并不是特例, 拟南芥FIS-
PRC2复合体功能丧失后可激活大多数PEG位点,
而PEG基因座中父源等位基因的表达依赖于DNA
甲基化(Hsieh等2011)。研究发现FIS-PRC2复合体
可控制母源等位基因的表达活性, 也可与父源等
位基因结合防止DNA甲基化。在拟南芥中发现许
多PEG位点附近存在DNA甲基化位点(Wolff等
2011), 然而差异性DNA甲基化区(differntially DNA
methylated region, DMR)在玉米PEG位点中相当罕
见(Zhang等2011), 这表明基因组印迹不仅仅依赖
于DNA甲基化相关的机制。
2.1.2 雌配子体的染色质修饰 在植物中, 减数分
裂产物(孢子)进入有丝分裂并产生多细胞单倍体
的配子体, 其与配子以及辅助细胞不同(Baroux等
2011)。雌配子体中, 有3个合胞体在有丝分裂后存
在核迁移和细胞化的变化(Baroux等2011)。胚囊
高度极化和细胞化, 可建立不同类型的细胞。卵
细胞和两个助细胞形成反足细胞, 而中央细胞则
含有两个极核。细胞化前胚囊中心的移动会因不
同品种植物的受精或者不同受精方式而发生改变
(Dumas和Rogowsky 2008)。通常情况下, 与反足
细胞和助细胞相比, 中央细胞和卵细胞连同游离
的异源染色质的浓缩水平较低, 表明配子与助细
胞的变化可能与配子体细胞的表观遗传学特征有
关(Dumas和Rogowsky 2008)。目前还不知道这些
变化是否建立在细胞化或者合胞体之前。研究显
示细胞化可发生在影响核小体组成的因素、生化
修饰以及染色质变化等方面, 并有助于卵细胞和
中央细胞确立其转录状态(Pillot等2010)。相反, 玉
米突变体细胞中配子体细胞核的DNA甲基化模
式、细胞数目以及胚囊极性可能受到dmt102和
dmt103基因的调控(Garcia- Aguilar等2010)。
2.1.3 卵细胞和中央细胞的表观遗传调控 开花植
物双受精过程中, 可通过表观遗传修饰区分受精
产物的发展命运(Baroux等2011)。大多数物种中2
个精子的细胞学特征难以区分, 它们都可与中央
细胞或卵细胞受精(Garnier等2008)。通过对拟南
芥和玉米染色质的研究, 发现2个雌配子形成各自
鲜明的表观遗传特点(Ingouff等2010)。卵细胞转
录过程中, 染色质内检测不到在类似异染色质蛋
白1 (LIKE HETEROCHROM-ATIN PROTEIN 1,
LHP1)中有活性的RNA聚合酶II (PolII)。相比之
下 , 中央细胞的染色质具有转录活性(Olmedo-
Monfil等2010)。同时用显微镜观察发现中央细胞
异染色质中含有无H3K9me2的异染色质(Fransz等
2003)。拟南芥中, 产生这种差异需要卵细胞中
植物生理学报1804
CMT3基因有活性, 并且中央细胞中DEMETER-
LIKE酶去除甲基胞嘧啶残基(Pillot等2010)。重要
的是在细胞化后可形成影响染色质修饰和转录的
表观遗传机制, 并在受精后得到继承。
核小体组合体和H3.3亚型的特定组合体中雌
配子表观遗传的表达水平与组蛋白有关。卵细胞
中只含有一个H3.3变体(HTR5), 而中央细胞含有2
个变体——HTR8和HTR14 (Hsieh等2009)。用表
观遗传学来区分HTR8和HTR14的功能十分困
难。在受精后卵细胞和中央细胞中会形成短暂的
核异形状态(Pillot等2010)。这意味着与H3突变体
有关的雌性表观遗传标记不会进入受精卵。研究
者还发现, 玉米中央细胞和卵细胞中ZmFIE1和
MEE1位点的DNA甲基化模式, 不能在受精产物中
保存。
2.1.4 DNA甲基化与雌配子 DNA甲基化可以维持
基因组稳定性和调节基因表达(Law和Jacobsen
2010)。植物的DNA甲基化模式可通过有性生殖
稳定地保持(Paszkowski和Grossniklaus 2011)。
MET1通过半保留的方式维持CG甲基化(Kankel等
2003)。胚胎形成前分析MET1家族的表达, 表明卵
细胞和助细胞的MET1家族内所有维持甲基化的
DNA甲基转移酶表达水平都低于幼苗中的表达水
平。拟南芥雌配子中的DNA甲基转移酶基因几乎
不表达(Jullien等2012)。与此相反, 胚胎中维持甲
基化和从头合成甲基化的DNA甲基转移酶基因都
强烈表达。与助细胞相比, 卵细胞中的MET1表达
水平升高。因此MET1和其同系物在中央细胞和
助细胞中不表达, 并且卵细胞中表达水平低于体
细胞中。
卵细胞DNA甲基化主要依靠DRM1和DRM2。
胚胎发育的RNA介导的DNA甲基化(RNA-directed
DNA methylation, RdDM)通路中包含有活性的从
头DNA甲基化转移酶(Jullien等2012)。受精后的
卵细胞特异性地表达DRM1, 并与DRM2共同激活
从头DNA甲基化途径, 使基因座中敏感的DNA甲
基化沉默。拟南芥中从头甲基化需要24个核苷酸
的干扰小RNA (siRNA)参与(Law等2010)。siRNA
可能源自雄性配子、母体胚珠组织或胚乳(Mosher
等2009)。
玉米和大米的胚胎中, 从头甲基化可能会重
编程少数沉默的印迹基因(Luo等2011)。野生型后
代中, 从头甲基化转移酶可增强DNA甲基化效应,
维持基因组稳定性。另外, 植物早期胚胎的从头
DNA甲基化意味着雌配子中少数DNA甲基化印迹
消失(Popp等2010)。然而, DNA甲基化从一代到下
一代的波动可以解释一个问题: 野生型中跨代表
观遗传印迹不稳定(Becker等2011)。
2.1.5 组蛋白与雌配子 大多数植物中, 组蛋白调
控的表观遗传信息跨代继承模式仍不清楚(Saze
2008)。组蛋白的共价修饰、染色质中H3变体的
镶嵌状分布模式为表观遗传信息的研究提供了新
的信息(Hake和Allis 2006)。拟南芥雌雄配子中H3
变体的含量少于体细胞, 通过胚胎中从头合成H3
变体, 体细胞中H3变体组分可恢复。在受精卵中
亲本基因组的重编程可限制H3变体调控的表观遗
传信息的跨代遗传。
成熟的中央细胞H3变体表达的种类多于成熟
的卵细胞。成熟的中央细胞中, HTR5蛋白的表达
量减少, 而HTR8表达量增加(Ingouff等2010)。成
熟的卵细胞中, HTR5表达量增加而HTR8表达量下
降, 并且检测不到任何H3.1变体(HTR1、HTR2、
HTR3和HTR13)的表达。成熟卵细胞的染色体缺
乏H3.1变体, 是因为H3.1变体合成与细胞周期的S
期紧密连锁(Ingouff等2010)。缺少H3.1变体的卵
细胞导致在S期前抑制了细胞周期的进程, 并且在
受精前雌配子启动新的S期(Durbarry等2005)。
配子形成后, H3变体只在精子细胞和卵细胞
H3.3编码的几个基因中表达。H3变体携带的表观
遗传学信息可通过共价修饰传给后代(Kouzarides
2007)。总之, 受精卵中从头合成的H3变体将限制
依赖H3变体的表观遗传学信息的跨代遗传。
2.2 雄配子与表观遗传学
被子植物中雄配子的发生包括生殖细胞和营
养细胞的分化以及雄配子体的发生(Migicovsky和
Kovalchuk 2012)。小孢子是雄配子体的第一个细
胞, 从小孢子发育至成熟的雄配子体只发生2次分
裂(Lohe和Chaudhury 2002)。
2.2.1 雄配子的DNA甲基化 拟南芥中, 雄配子发
育产生含有营养细胞核(vegetative nucleus, VN)以
及2个精子细胞(sperm cells, SCs)的花粉(Twell
2011)。大多数组织中甲基化的TEs是沉默的, 但去
甲基化后的TEs只在营养细胞核中表达却不在SCs
中表达(Slotkin等2009)。营养细胞核中通过主动
刘茜阳等: 被子植物配子形成过程中表观遗传学调控 1805
下调RdDM组件和特异地缺失DNA甲基化减少蛋
白1 (DECREASE DNA METHYLATION 1,
DDM1), 从而降低DNA甲基化水平。
营养细胞内DDM1负责调控TEs去除DNA甲
基化过程中DNA脱甲基酶的活性。这个过程的关
键是保持转座子的沉默, 以保护SCs基因组序列的
精确性(Law和Jacobsen 2010)。此外, 已经发现在
VN中增加21个核苷酸的siRNA与转座子的表达水
平不符合, 认为在VN中产生的siRNA可能有加强
转座子沉默的能力。另外, MET1基因对雄性配子
中TEs保持沉默起着重要的作用。这个假设已经
在FIS2 (fertilisation-independent seed)基因中得到
证明, 该基因只在胚乳的母源基因组中表达。相
对于动物而言, 植物保持甲基化比从头甲基化的
基因印迹更明显(Jullien等2006)。
2.2.2 雄配子的表观遗传重编程 在被子植物生殖
过程中, 花粉母细胞(pollen mother cell, PMC)经历
减数分裂, 产生4个单倍体孢子。每个孢子随后经
历一次不对称的分裂产生一个小的生殖细胞和一
个大的营养细胞, 生殖细胞进一步分裂产生2个精
子细胞(Baroux等2011)。在对比营养核的染色质
与精子染色质后发现, 精子染色质含有配子特异
性核心——核小体突变体(gH2A、H2B和GH3), 其
中包括一个配子特异性H3.3突变体(Okada等2005;
Xu等1999)。组蛋白修饰导致染色质结构具有显
著差异(Ueda和Tanaka 1995)。
精子染色质的结构紧凑, 常常被认为处于转
录失活状态。但免疫染色质修饰揭示: 精子中不
精确转录的H3K4me3和H3K36me2/3的标记水平
低于平均水平, 而常染色质区存在大量LHP1蛋白,
它是抑制H3K27me3标记相关的蛋白质(Exner等
2009)。与此同时, H3和H4残基上的乙酰化, 以及
DNA的甲基化程度降低, 表明精子染色质的形成
在一定程度上需要一个不精确的转录环境。而营
养细胞染色质出现浓缩是由不同的H3亚型和不精
确的转录中组蛋白修饰造成的(Cartagena等2008)。
在不存在着丝粒特异性的基于着丝粒组蛋白H3
(centromere-specific histone H3 variant, CENH3)突
变体和异染色质特异性体细胞H3.1突变体中异染
色质和着丝粒的标记有明显差异(Ingouff等2010)。
这种情况也证实缺少SWI/SNF (mating-typ/switch-
ing/sucrose non-fermenting)的染色质, 重编程着丝
粒异染色质组织通常需要DDM1基因参与(Slotkin
等2009)。因此, 胚胎中重编程染色质表观遗传印
迹并修饰不同的转录程序, 导致配子体和异源染
色质显示出相反的染色质组织特性。
通过观察生殖细胞中精子特异性的H3突变
体, 发现一部分染色质的分化与第一次有丝分裂
偶联。成熟细胞的细胞核和营养细胞的细胞核有
不同的转录模式, 形成各自独特的功能(Okada等
2007)。例如, 百合中发现3个新的组蛋白基因:
gH2A、gH2B和GH3。这几个基因即使只在雄性
配子的细胞核中存在, 也与染色质结构相关(Ueda
等2000)。另外, 已经证明百合中组蛋白H1的表达
水平降低导致花粉成熟。相比之下, 组蛋白H2B表
达水平保持在一个稳定的范围内(Tanaka等1998)。
组蛋白H1既参与染色质结构的形成, 也在染色体
丝分裂期凝聚(Woodcock等2006)。
最后, 营养细胞核的特定染色质组织中, 存在
一些对物种的进化起调节作用的TEs。在观察异
染色质组织时发现一个DDM1依赖的途径, 该途径
能防止大量TEs的损失并产生21 nt siRNA (Slotkin
等2009)。该siRNA具有输送物质到精子细胞的功
能, 并可加强TEs的沉默。因此, 营养细胞的存在
也是基因组完整性的保障(Bourchis和Voinnet
2010)。
2.2.3 雄配子体中的小RNA途径 花粉中存在两个
不同的细胞核, 营养细胞中存在低水平的DNA甲
基化而精细胞中没有(Migicovsky和Kovalchuk
2012)。SCs维持高水平的甲基化防止TEs激活。
因此拟南芥营养细胞中DDM1下调, 使TEs活化
(Slotkin等2009)。因为花粉管中精子的退化发生
在SC细胞进入胚珠之前, 负责受精的细胞缺乏活
跃的TEs, 导致父系印迹的产生。
SCs中小RNA途径基因AGO9 (ARGONAUTE
9)、DDM1、DRB4、MET1和SUVH5的表达有一
个很强的增长趋势, 而VN中存在这些基因可能是
它们在SCs中富集的结果(Borges等2008)。SUVH5
是一个组蛋白甲基转移酶, 有助于维持非甲基化
GC的含量(Ebbs和Bender 2006)。SCs中DCL3 (di-
cer-like3)不表达, DCL1以及AGO1-同源基因AGO5
表达。说明虽然SCs中这些基因起维持RdDM和
DNA甲基化的作用, 但它们缺乏某些重要的转录
产物如DCL3, 可能会形成一个新的小RNA途径
植物生理学报1806
(Borges等2008)。
营养核和受精后的胚胎中, 24 nt siRNA在小孢
子和精子细胞反转录转座子丢失后引导从头DNA
甲基转移酶起始CHH甲基化(Calarco等2012)。营
养细胞核中, DME、阻遏沉默蛋白1 (ROS1)以及
它们的同系物丢失后形成CG甲基化, 但精子中印
迹位点和周期性等位基因积累的siRNA可使精子
DNA甲基化。
然而, 在小孢子中TEs的CHH甲基化程度降
低, 并伴随DRM2表达下调。精子细胞中CHH甲基
化的缺失说明去除CHH甲基化的受精卵中含有父
本反转录转座子(Hsieh等2009)。胚胎中DNA甲基
化的恢复, 表明CHH甲基化必须发生在受精后(Jul-
lien等2012)。然而, VN中激活TEs可产生24 nt siR-
NA, 并积累在精子细胞中(Slotkin等2009)。在
DNA甲基化的背景下, 染色质重塑的缺失可导致
TEs起始转录(Lorkovic等2012)。此外, VN中经过
组蛋白替换 , 许多组蛋白 (包括着丝粒组蛋白
CENH3)的丢失有助于激活转座子。在VN中CHH
甲基化弥补近着丝粒异染色质的缺失(Schoft等
2009)。
一些转座子的靶基因DME、ROS1、DML2和
DML3在VN中表达, 在精子细胞中不表达, 而24 nt
siRNA有累积(Lister等2008)。这些结果都表明, 精
子细胞中24 nt siRNA有助于RdDM形成和受精之
前的转录沉默。这些特定的24 nt siRNA可从VN中
衍生出来。植物以这种方式, 保护印迹基因免受
甲基化的影响(Feng等2010)。因此, siRNA有助于
转座子沉默、印迹基因产生等表观遗传机制调控
花粉基因组的重编程。
3 展望
通过已知的表观遗传系统我们可知: 非遗传
信息可以通过种系传递到下一代, 并且内部和外
部条件会影响传递的内容和时间。随着印迹基因
的发现与研究, 已了解印迹基因(FIS、MEA、FIE
等)的表达与DNA甲基化、组蛋白的重编程、siR-
NAs途径等表观遗传调控机制有关。研究发现, 在
营养核和中央细胞的细胞核中DNA甲基化降低会
造成转座子的表达。在精子细胞和卵子细胞中为
了应对转座子的表达产生一个siRNA, 可加强沉默
效应。表观遗传另一种形式是组蛋白修饰, 在雌
配子中存在于卵细胞中央细胞中的组蛋白成分不
同, 从而有助于在配子中将它们区分出来。但仍
有大部分的疑似印迹基因的功能和作用没有得到
证实。通常情况下, 被子植物通过转座子沉默, 产
生21 nt的siRNA, 甲基化, 染色质修饰, 以及表观遗
传重编程来抑制或激活基因转录, 从而控制雌雄
配子体的发育以及植物的生长繁殖。
虽然我们对这些机制在雌雄配子发育中机制
的了解还十分有限, 但是它们在植物繁殖过程中
的重要作用已经得到认可。通过对配子体表观遗
传的研究, 有助于我们了解被子植物配子的发育
过程以及被子植物多样性的原因, 从而更科学的
保护和利用植物。
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