重磅綜述深度解讀：植物的表觀基因組從細胞內(nèi)部到跨物種交流
近日，西澳大利亞大學(xué)Ryan Lister與James P. B. Lloyd團隊在遺傳學(xué)頂級綜述期刊《Nature Reviews Genetics》（IF52/Q1）上發(fā)表了題為“Epigenome plasticity in plants”的重要綜述。該文系統(tǒng)揭示了植物表觀基因組的動態(tài)調(diào)控特性，指出植物能夠在不改變DNA序列的前提下，通過表觀遺傳機制響應(yīng)內(nèi)外信號，并將這種“分子記憶”穩(wěn)定遺傳。這種可塑性不僅是植物生長發(fā)育的調(diào)控樞紐，更是其應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境變化的核心適應(yīng)性策略。
文章聚焦DNA甲基化、組蛋白修飾等關(guān)鍵表觀遺傳標(biāo)記，闡釋了它們?nèi)绾蜗?ldquo;分子開關(guān)”一樣精準(zhǔn)調(diào)控基因表達，影響植物從萌芽到成熟的各個階段。更重要的是，它打破了傳統(tǒng)遺傳學(xué)的序列中心論，凸顯了表觀信息層在生命過程中的獨立調(diào)控地位。
對生物學(xué)研究整體而言，這篇綜述具有前瞻性與引領(lǐng)性：它既為植物抗逆育種、生態(tài)適應(yīng)研究開辟了新思路，也為動物、微生物乃至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中環(huán)境與基因互作機制的研究提供了跨學(xué)科借鑒。表觀基因組的“可重塑”特性，或?qū)⒅匦露x我們對生物演化與環(huán)境適應(yīng)的認(rèn)知框架，開啟后基因組時代生命調(diào)控研究的新窗口。
DOI：10.1038/s41576-021-00407-y
植物內(nèi)部的表觀基因組變化
（1）細胞和組織間的表觀基因組差異
多項研究揭示了植物不同細胞類型和組織間的表觀基因組（DNA甲基化）差異：大豆不同組織的DNA甲基化圖譜顯示存在組織特異性DNA甲基化模式，部分與組織特異性差異基因表達相關(guān)；擬南芥和水稻莖尖分生組織在從營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變后，非CG甲基化(CHG在擬南芥中，CHH在水稻中)增加，可能反映了在產(chǎn)生生殖系前加強轉(zhuǎn)座子沉默變化；擬南芥根不同類型細胞的甲基組比較顯示，大多數(shù)根細胞類型的甲基組大體相似，但根冠細胞的甲基組與其他根細胞類型顯著不同，表現(xiàn)出全基因組范圍的mCHH甲基化(主要在轉(zhuǎn)座子中)，表明該細胞類型中RNA指導(dǎo)的DNA甲基化(RdDM)上調(diào)。
CLSY1-4(Classy 1-4)蛋白作為染色質(zhì)重塑因子，通過幫助RNA聚合酶IV(Pol IV)和小RNA產(chǎn)生來調(diào)控特定位點的RdDM活性。擬南芥CLSY基因表現(xiàn)出一定程度的組織特異性表達，在葉片、蓮座、花和胚珠中發(fā)現(xiàn)了CHH背景下DNA甲基化的顯著差異。在clsy突變體中觀察到組織特異性DNA甲基化變化，表明CLSY蛋白在決定RdDM沉積的DNA甲基化的組織特異性譜中起主要作用。
圖1展示了DNA甲基化在植物中的三種序列背景（CG、CHG和CHH），并解釋了這些不同背景下的DNA甲基化如何影響基因表達�；蝮wDNA甲基化（gene-body methylation，簡稱gbM）通常與基因轉(zhuǎn)錄區(qū)域內(nèi)的CG甲基化相關(guān)，而轉(zhuǎn)錄起始位點（Transcriptional Start Site，簡稱TSS）附近的甲基化則可能導(dǎo)致基因表達抑制。
圖1：植物DNA甲基化圖譜
a. DNA甲基化存在于植物的對稱序列（CG和CHG）和非對稱序列（CHH）中。在開花植物中，DNA甲基化基因可分為四類：
基因體甲基化（gbM）：轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)富含mCG，但轉(zhuǎn)錄起始位點（TSS）區(qū)域缺失甲基化；
TSS甲基化：TSS周圍存在mCG，導(dǎo)致基因表達抑制；
CHG甲基化基因：富含mCHG，mCHH缺失，可能含mCG，通常被抑制；
CHH甲基化基因：富含mCHH，可能含CG和CHG甲基化，通常沉默，其狀態(tài)類似轉(zhuǎn)座子相關(guān)的DNA甲基化（通常同時存在mCG、mCHG和mCHH）。
b. 三種序列的DNA甲基化建立可通過RNA介導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM）實現(xiàn)，通過產(chǎn)生小RNA靶向特定位點進行甲基化。簡要過程：RNA聚合酶IV（Pol IV）和RDR2在CLSY1等蛋白引導(dǎo)下生成雙鏈RNA；DCL2-4將其切割為小干擾RNA（siRNA）；siRNA引導(dǎo)AGO4/6結(jié)合Pol V產(chǎn)生的染色質(zhì)結(jié)合轉(zhuǎn)錄本，招募DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DRM2（動物DNMT3同源蛋白，其甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域基序發(fā)生重排）。
c. 甲基化維持機制：
mCG：通過甲基轉(zhuǎn)移酶MET1（動物DNMT1的植物同源蛋白）在DNA復(fù)制后甲基化半甲基化DNA，部分位點需MET1維持CG和非CG甲基化遺傳；
mCHG：開花植物中由CMT3結(jié)合H3K9me2組蛋白并甲基化CHG位點。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶KYP（SUVH4）、SUVH5和SUV6結(jié)合mCHG/mCHH并催化H3K9甲基化，形成正反饋loop維持mCHG；
mCHH：通常依賴RdDM持續(xù)重建，開花植物中許多mCHH位點由CMT2通過正反饋loop維持。
（2）驅(qū)動發(fā)育的DNA甲基化組差異
在擬南芥雄性生殖細胞中，通過RdDM通路，多個區(qū)域在CHH背景下發(fā)生甲基化，這些區(qū)域與生殖細胞特異性基因表達相關(guān)。有四個區(qū)域與在RdDM突變體的減數(shù)分裂細胞中表達增加的基因重疊(但在葉片中不增加)。其中一個區(qū)域是位于減數(shù)分裂因子多極紡錘體1(MPS1)最后一個內(nèi)含子內(nèi)的pre-tRNA基因，甲基化缺失導(dǎo)致內(nèi)含子保留增加。將不含最后內(nèi)含子的MPS1轉(zhuǎn)化到RdDM突變體中可減少減數(shù)分裂缺陷，表明MPS1的錯誤剪接是造成這些缺陷的原因。
番茄果實成熟過程中，通過去甲基化酶DML2(Demeter-like protein 2)的活性在數(shù)萬個基因組位點發(fā)生DNA去甲基化。有趣的是，只有約一半對DML2介導(dǎo)的主動DNA去甲基化響應(yīng)基因在去甲基化時表達增加，表明啟動子甲基化具有抑制作用的簡單模型并不適用于所有基因組位點。
圖2a展示了擬南芥中DNA甲基化模式的維持對于正常生長和發(fā)育的重要性，特別是對于開花時間等性狀的調(diào)控。這些研究結(jié)果表明，DNA甲基化變化不僅與發(fā)育相關(guān)，而且在某些情況下是發(fā)育所必需的。
b. 擬南芥雄性生殖細胞發(fā)育過程中，位于MPS1基因第9內(nèi)含子內(nèi)的pre-tRNA基因通過RdDM發(fā)生甲基化。野生型植株中所有MPS1轉(zhuǎn)錄本均能正常剪切除去第9內(nèi)含子，而RdDM缺失突變體中該位點甲基化丟失，導(dǎo)致內(nèi)含子滯留。
c. 番茄果實發(fā)育中DNA甲基化動態(tài)調(diào)控。番茄中許多基因通過DML2介導(dǎo)的主動去甲基化激活成熟過程，包括無色不成熟（CNR）位點。CNR位點也是自然存在的穩(wěn)定表觀等位基因（epiallele）靶標(biāo)：其啟動子在非果實組織中高甲基化，且該位點去甲基化被抑制，導(dǎo)致cnr表觀突變植株無法成熟。
（3）組蛋白PTMs在細胞命運決定中的作用
組蛋白翻譯后修飾在細胞命運決定中起著重要作用。一些抑制性組蛋白標(biāo)記可以通過細胞分裂維持，因此具有穩(wěn)定調(diào)控植物基因表達和發(fā)育的潛力。
例如，由Polycomb家族（PcG）染色質(zhì)重塑復(fù)合體負(fù)責(zé)的H3K27me3是一種保守的表觀遺傳抑制標(biāo)記。擬南芥含有三個Polycomb抑制復(fù)合體2催化核心的同源物：CURLY LEAF(CLF)、SWINGER(SWN)和MEDEA(MEA)。clf swn雙突變體表現(xiàn)出極度異常的發(fā)育，從根部長出愈傷組織樣生長物和芽樣結(jié)構(gòu)。擬南芥根毛細胞與非根毛細胞的比較顯示，H3K27me3差異標(biāo)記基因在細胞類型轉(zhuǎn)換過程中，表明PcG蛋白及其介導(dǎo)的H3K27me3在維持整個植物細胞命運決定中起主要作用。圖2b進一步說明了在雄性生殖細胞發(fā)育過程中，pre-tRNA基因位于MPS1基因的第9個內(nèi)含子中，該基因通過RdDM通路發(fā)生甲基化，這種甲基化對于維持正常的減數(shù)分裂過程至關(guān)重要。
環(huán)境響應(yīng)的表觀基因組可塑性
（1）預(yù)期環(huán)境誘導(dǎo)的發(fā)育
植物需要使其發(fā)育與周圍環(huán)境保持一致(例如在一年中的正確時間開花)，因此植物細胞感知和響應(yīng)環(huán)境信號的能力對其生存至關(guān)重要，這種響應(yīng)有時會通過表觀遺傳機制來實現(xiàn)。
一個典型的例子，擬南芥中的開花位點C(FLOWERING LOCUS C, FLC) 基因在調(diào)控開花時間中起著關(guān)鍵作用。植物通過感知冬季低溫（vernalization）逐漸沉默F(xiàn)LC基因，從而使其在春季開花。在有機體水平上，這種沉默是漸進的，但在基因水平上，每個位點都是從開啟到關(guān)閉的二元轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換通過三個階段發(fā)生，通過將FLC從表現(xiàn)H3K36me3的活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸憩F(xiàn)H3K27me3抑制狀態(tài)。
圖3詳細展示了FLC基因在響應(yīng)低溫時的表觀遺傳變化過程，包括H3K36me3和H3K27me3的動態(tài)變化，以及這些變化如何通過PcG蛋白的作用實現(xiàn)FLC基因的長期沉默。
（2）脅迫誘導(dǎo)的表觀基因組可塑性
非生物脅迫的表觀基因組變化
鹽脅迫：擬南芥幼苗暴露于鹽脅迫后，發(fā)現(xiàn)成年植物再次暴露時的存活率提高(引發(fā))。觀察到全基因組H3K27me3減少，而H3K9me2保持穩(wěn)定。在高親和性K+轉(zhuǎn)運蛋白1(HKT1)位點H3K27me3減少伴隨著primed植物中HKT1轉(zhuǎn)錄本豐度增加，表明從HKT1去除H3K27me3可能是這些暴露植物脅迫反應(yīng)改善的原因。
水稻中的輔伴侶蛋白BCL-2-associated anthanogene 4(BAG4)是鹽脅迫敏感性的調(diào)節(jié)因子。BAG4與轉(zhuǎn)錄因子MYB106和DNA甲基化結(jié)合蛋白SUVH7互作，這些因子結(jié)合到HKT1;5啟動子。SUVH7結(jié)合到一個富含mCHG或mCHH的MITE型轉(zhuǎn)座子元件，當(dāng)該元件丟失時，HKT1;5對鹽的反應(yīng)減弱，表明這個甲基化的MITE作為增強子發(fā)揮作用。
多代鹽處理：一項研究擬南芥植物在五代中暴露于鹽的影響發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)過一代無鹽暴露，鹽暴露植物的后代也比對照植物更抗鹽。然而，一代無鹽暴露足以消除這種優(yōu)勢，表明這是一種短命的脅迫記憶。DNA甲基化機制突變消除了這種引發(fā)，記憶只能通過植物的母系遺傳。圖4a提出了脅迫可能通過誘導(dǎo)特定的表觀遺傳變化來增強植物對脅迫的響應(yīng)能力。
生物脅迫的表觀基因組變化
生物脅迫（如病原體感染）也能引起植物表觀基因組的變化。例如，擬南芥在感染真菌病原體Fusarium oxysporum時，需要通過DNA去甲基化來進行正常防御，表明要么DNA去甲基化需要用于活性防御基因表達程序，要么主動去甲基化需要維持甲基組狀態(tài)以實現(xiàn)正常功能，因此DNA甲基化的動態(tài)變化對于植物的免疫反應(yīng)至關(guān)重要。
圖4b和圖4c進一步展示脅迫可能通過誘導(dǎo)隨機的表觀遺傳變異或通過增強轉(zhuǎn)座元件沉默來響應(yīng)脅迫不同模型。
圖4：脅迫誘導(dǎo)的表觀基因組可塑性模型。
a. 模型1：脅迫可能誘導(dǎo)表觀基因組發(fā)生程序性但穩(wěn)定變化，從而改變靶基因表達，導(dǎo)致對脅迫增強響應(yīng)。這些特異性變化需要轉(zhuǎn)錄因子或小RNA等序列特異性機制在脅迫發(fā)生時引導(dǎo)這些變化。
b. 模型2：脅迫誘導(dǎo)的表觀突變率增加導(dǎo)致在隨機靶基因上產(chǎn)生廣泛的表觀基因組和轉(zhuǎn)錄變化，由于隨機變化可能導(dǎo)致對特定脅迫的抗性增強。
c. 模型3：植物經(jīng)歷的脅迫可誘導(dǎo)脅迫響應(yīng)性轉(zhuǎn)錄程序。在啟動這一新轉(zhuǎn)錄程序后，可在鄰近轉(zhuǎn)座元件位點誘導(dǎo)表觀基因組變化以確保其持續(xù)被抑制，從而將表觀基因組變化作為轉(zhuǎn)錄變化的啟動因果關(guān)系逆轉(zhuǎn)。
不同植物間的表觀基因組變化
（1）自然存在的表觀等位基因及其作用和起源
自然表觀等位基因（epialleles）是由于表觀遺傳突變而產(chǎn)生的可遺傳的表型變化，這些變化并非由DNA序列變化引起，而是由于轉(zhuǎn)座元件的DNA甲基化狀態(tài)改變而引起。
番茄中的無色不成熟(colorless non-ripening, cnr)表觀突變是一個自然表觀等位基因的例子，可阻止果實正常成熟。只有不到0.1%的獨立植物通過恢復(fù)到野生型DNA甲基化狀態(tài)而結(jié)果，突出了這個表觀等位基因的穩(wěn)定性。cnr表觀等位基因部分由RdDM通路和甲基轉(zhuǎn)移酶1(MET1)活性維持。
擬南芥品系間的基因組和表觀基因組變異很常見。雖然單個堿基的DNA甲基化變異和基因體mCG變異似乎與DNA序列變異無關(guān)，但非CG DNA甲基化的大部分變異與遺傳變異相關(guān)，而非CG DNA甲基化變化通常位于品系間轉(zhuǎn)座子存在或缺失變異的位點附近。
圖5a展示了表觀等位基因的產(chǎn)生機制，通常與轉(zhuǎn)座元件沉默或激活有關(guān)，這些轉(zhuǎn)座元件的DNA甲基化狀態(tài)可以代代相傳，從而影響基因表達。
（2）人工誘導(dǎo)的表觀等位基因及其在農(nóng)業(yè)中的潛力
人工誘導(dǎo)的表觀等位基因在農(nóng)業(yè)中具有潛在的應(yīng)用價值。例如克隆植物繁殖有可能誘導(dǎo)表觀等位基因，通過組織培養(yǎng)再生植物可能會產(chǎn)生穩(wěn)定的表觀遺傳變化，這些變化可以導(dǎo)致新的表型變異。
表觀重組自交系(epigenetic recombinant inbred lines, epiRILs)通過將減少DNA甲基化1(decreased DNA methylation 1, ddm1)或met1突變體與野生型植物雜交，然后反復(fù)自交所得后代而開發(fā)，因此每個epiRIL將對DNA甲基化的不同模式純合。epiRIL群體的變異包括由于開花Wageningen(FWA)啟動子去甲基化引起的開花時間變異，以及改善的病原體抗性。
在油棕中，組織培養(yǎng)過程可能導(dǎo)致“mantled”表型的產(chǎn)生，這種表型表現(xiàn)為花器官的異常發(fā)育，從而影響果實的產(chǎn)量。圖5b展示了這種表觀變異的起源和機制，指出轉(zhuǎn)座元件的DNA甲基化變化可能是導(dǎo)致這些變異的原因。
圖5：表觀等位基因是表觀基因組中可遺傳的變化，能夠賦予植物特定表型。
a. 擬南芥中磷酸核糖鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶（PAI）基因家族的副突變（paramutation）。某些擬南芥品系（如Wassilewskija，WS）含有PAI1基因的倒位重復(fù)序列（PAI1–PAI4），導(dǎo)致基因組中所有四個PAI基因獲得DNA甲基化。當(dāng)其與含有三個未甲基化PAI基因的Col-0（Columbia）品系雜交時，PAI1–PAI3獲得甲基化，即使倒位重復(fù)未被遺傳，這種甲基化狀態(tài)也能在多代中保持穩(wěn)定。
b. 油棕植物中的表觀等位基因現(xiàn)象。高產(chǎn)油棕雜交種通常通過組織培養(yǎng)（而非親本雜交）繁殖，這種組織培養(yǎng)可能偶爾產(chǎn)生“Bad Karma”表觀等位基因。在含有“Good Karma”表觀等位基因的野生型植物中，油棕DEFICIENS基因內(nèi)含子中的Karma型轉(zhuǎn)座元件高甲基化。而在組織培養(yǎng)繁殖產(chǎn)生的“Bad Karma”表觀等位基因中，該轉(zhuǎn)座元件DNA甲基化丟失，導(dǎo)致轉(zhuǎn)座元件內(nèi)部提前終止轉(zhuǎn)錄，隨后剪接機制利用轉(zhuǎn)座元件內(nèi)的3′剪接位點產(chǎn)生截短的轉(zhuǎn)錄本，編碼提前終止密碼子，最終引發(fā)植物發(fā)育異常。
未來研究方向
作者提出，未來的研究方向應(yīng)涵蓋建立表觀遺傳變異與植物表型之間的因果關(guān)系，需要綜合考慮表觀遺傳變化的時間軌跡、是否與基因組其他特征（如轉(zhuǎn)座元件沉默）相關(guān)、是否可以在實驗系統(tǒng)中復(fù)現(xiàn)類似效果，以及是否由遺傳變異驅(qū)動表觀遺傳變化進而影響表型等。
在單細胞表觀基因組學(xué)和靶向表觀基因組編輯方面的新興技術(shù)進步提供了嶄新工具，研究人員能夠以前所未有的分辨率和大規(guī)模探究表觀基因組可塑性，并直接功能性地揭示相關(guān)變化的因果作用。
結(jié)論
文章總結(jié)了植物表觀基因組的可塑性在植物發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)中的重要作用。具體而言，表觀基因組可以在植物發(fā)育過程中發(fā)生變化，但由于群體中隨機表觀突變或響應(yīng)脅迫，特定表觀遺傳變化在維持基因組中起作用還是調(diào)控植物適應(yīng)性可能難以明確。得益于技術(shù)進步，單細胞表觀基因組分析方法的出現(xiàn)有望極大提高我們表征表觀基因組變異的能力。表觀基因組編輯工具盡管仍處于初級階段，但其發(fā)展?jié)摿薮螅型麨檠芯孔匀槐碛^遺傳變異以及為農(nóng)業(yè)創(chuàng)造新的表觀等位基因提供新的方法。
參考文獻：
Lloyd JPB, Lister R. Epigenome plasticity in plants. Nat Rev Genet. 2022 Jan;23(1):55-68. doi: 10.1038/s41576-021-00407-y.
文章聚焦DNA甲基化、組蛋白修飾等關(guān)鍵表觀遺傳標(biāo)記，闡釋了它們?nèi)绾蜗?ldquo;分子開關(guān)”一樣精準(zhǔn)調(diào)控基因表達，影響植物從萌芽到成熟的各個階段。更重要的是，它打破了傳統(tǒng)遺傳學(xué)的序列中心論，凸顯了表觀信息層在生命過程中的獨立調(diào)控地位。
對生物學(xué)研究整體而言，這篇綜述具有前瞻性與引領(lǐng)性：它既為植物抗逆育種、生態(tài)適應(yīng)研究開辟了新思路，也為動物、微生物乃至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中環(huán)境與基因互作機制的研究提供了跨學(xué)科借鑒。表觀基因組的“可重塑”特性，或?qū)⒅匦露x我們對生物演化與環(huán)境適應(yīng)的認(rèn)知框架，開啟后基因組時代生命調(diào)控研究的新窗口。
植物內(nèi)部的表觀基因組變化
（1）細胞和組織間的表觀基因組差異
多項研究揭示了植物不同細胞類型和組織間的表觀基因組（DNA甲基化）差異：大豆不同組織的DNA甲基化圖譜顯示存在組織特異性DNA甲基化模式，部分與組織特異性差異基因表達相關(guān)；擬南芥和水稻莖尖分生組織在從營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變后，非CG甲基化(CHG在擬南芥中，CHH在水稻中)增加，可能反映了在產(chǎn)生生殖系前加強轉(zhuǎn)座子沉默變化；擬南芥根不同類型細胞的甲基組比較顯示，大多數(shù)根細胞類型的甲基組大體相似，但根冠細胞的甲基組與其他根細胞類型顯著不同，表現(xiàn)出全基因組范圍的mCHH甲基化(主要在轉(zhuǎn)座子中)，表明該細胞類型中RNA指導(dǎo)的DNA甲基化(RdDM)上調(diào)。
CLSY1-4(Classy 1-4)蛋白作為染色質(zhì)重塑因子，通過幫助RNA聚合酶IV(Pol IV)和小RNA產(chǎn)生來調(diào)控特定位點的RdDM活性。擬南芥CLSY基因表現(xiàn)出一定程度的組織特異性表達，在葉片、蓮座、花和胚珠中發(fā)現(xiàn)了CHH背景下DNA甲基化的顯著差異。在clsy突變體中觀察到組織特異性DNA甲基化變化，表明CLSY蛋白在決定RdDM沉積的DNA甲基化的組織特異性譜中起主要作用。
圖1展示了DNA甲基化在植物中的三種序列背景（CG、CHG和CHH），并解釋了這些不同背景下的DNA甲基化如何影響基因表達�；蝮wDNA甲基化（gene-body methylation，簡稱gbM）通常與基因轉(zhuǎn)錄區(qū)域內(nèi)的CG甲基化相關(guān)，而轉(zhuǎn)錄起始位點（Transcriptional Start Site，簡稱TSS）附近的甲基化則可能導(dǎo)致基因表達抑制。
圖1：植物DNA甲基化圖譜
基因體甲基化（gbM）：轉(zhuǎn)錄區(qū)內(nèi)富含mCG，但轉(zhuǎn)錄起始位點（TSS）區(qū)域缺失甲基化；
TSS甲基化：TSS周圍存在mCG，導(dǎo)致基因表達抑制；
CHG甲基化基因：富含mCHG，mCHH缺失，可能含mCG，通常被抑制；
CHH甲基化基因：富含mCHH，可能含CG和CHG甲基化，通常沉默，其狀態(tài)類似轉(zhuǎn)座子相關(guān)的DNA甲基化（通常同時存在mCG、mCHG和mCHH）。
b. 三種序列的DNA甲基化建立可通過RNA介導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM）實現(xiàn)，通過產(chǎn)生小RNA靶向特定位點進行甲基化。簡要過程：RNA聚合酶IV（Pol IV）和RDR2在CLSY1等蛋白引導(dǎo)下生成雙鏈RNA；DCL2-4將其切割為小干擾RNA（siRNA）；siRNA引導(dǎo)AGO4/6結(jié)合Pol V產(chǎn)生的染色質(zhì)結(jié)合轉(zhuǎn)錄本，招募DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DRM2（動物DNMT3同源蛋白，其甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域基序發(fā)生重排）。
c. 甲基化維持機制：
mCG：通過甲基轉(zhuǎn)移酶MET1（動物DNMT1的植物同源蛋白）在DNA復(fù)制后甲基化半甲基化DNA，部分位點需MET1維持CG和非CG甲基化遺傳；
mCHG：開花植物中由CMT3結(jié)合H3K9me2組蛋白并甲基化CHG位點。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶KYP（SUVH4）、SUVH5和SUV6結(jié)合mCHG/mCHH并催化H3K9甲基化，形成正反饋loop維持mCHG；
mCHH：通常依賴RdDM持續(xù)重建，開花植物中許多mCHH位點由CMT2通過正反饋loop維持。
（2）驅(qū)動發(fā)育的DNA甲基化組差異
在擬南芥雄性生殖細胞中，通過RdDM通路，多個區(qū)域在CHH背景下發(fā)生甲基化，這些區(qū)域與生殖細胞特異性基因表達相關(guān)。有四個區(qū)域與在RdDM突變體的減數(shù)分裂細胞中表達增加的基因重疊(但在葉片中不增加)。其中一個區(qū)域是位于減數(shù)分裂因子多極紡錘體1(MPS1)最后一個內(nèi)含子內(nèi)的pre-tRNA基因，甲基化缺失導(dǎo)致內(nèi)含子保留增加。將不含最后內(nèi)含子的MPS1轉(zhuǎn)化到RdDM突變體中可減少減數(shù)分裂缺陷，表明MPS1的錯誤剪接是造成這些缺陷的原因。
番茄果實成熟過程中，通過去甲基化酶DML2(Demeter-like protein 2)的活性在數(shù)萬個基因組位點發(fā)生DNA去甲基化。有趣的是，只有約一半對DML2介導(dǎo)的主動DNA去甲基化響應(yīng)基因在去甲基化時表達增加，表明啟動子甲基化具有抑制作用的簡單模型并不適用于所有基因組位點。
圖2a展示了擬南芥中DNA甲基化模式的維持對于正常生長和發(fā)育的重要性，特別是對于開花時間等性狀的調(diào)控。這些研究結(jié)果表明，DNA甲基化變化不僅與發(fā)育相關(guān)，而且在某些情況下是發(fā)育所必需的。
圖2：DNA甲基化在植物發(fā)育中的作用
a. 正常DNA甲基化模式的維持是植物正常生長發(fā)育所必需的。擬南芥中DNA去甲基化酶ROS1（沉默抑制因子1）的失活突變會導(dǎo)致氣孔過度生成及表皮模式因子2（EPF2）表達抑制。ROS1通常通過阻止RdDM在轉(zhuǎn)座子附近擴散甲基化，從而維持EPF2表達。擬南芥H3K9me2去甲基化酶IBM2和EDM2突變會導(dǎo)致ERECTA基因沉默和氣孔過量產(chǎn)生。H3K9me2積累引發(fā)基因體內(nèi)CHG位點甲基化，進而抑制ERECTA表達。EPF2和ERECTA在發(fā)育過程中不受DNA甲基化直接調(diào)控，但當(dāng)表觀基因組保護機制缺失時，兩者會通過不同的DNA甲基化通路被沉默。b. 擬南芥雄性生殖細胞發(fā)育過程中，位于MPS1基因第9內(nèi)含子內(nèi)的pre-tRNA基因通過RdDM發(fā)生甲基化。野生型植株中所有MPS1轉(zhuǎn)錄本均能正常剪切除去第9內(nèi)含子，而RdDM缺失突變體中該位點甲基化丟失，導(dǎo)致內(nèi)含子滯留。
c. 番茄果實發(fā)育中DNA甲基化動態(tài)調(diào)控。番茄中許多基因通過DML2介導(dǎo)的主動去甲基化激活成熟過程，包括無色不成熟（CNR）位點。CNR位點也是自然存在的穩(wěn)定表觀等位基因（epiallele）靶標(biāo)：其啟動子在非果實組織中高甲基化，且該位點去甲基化被抑制，導(dǎo)致cnr表觀突變植株無法成熟。
（3）組蛋白PTMs在細胞命運決定中的作用
組蛋白翻譯后修飾在細胞命運決定中起著重要作用。一些抑制性組蛋白標(biāo)記可以通過細胞分裂維持，因此具有穩(wěn)定調(diào)控植物基因表達和發(fā)育的潛力。
例如，由Polycomb家族（PcG）染色質(zhì)重塑復(fù)合體負(fù)責(zé)的H3K27me3是一種保守的表觀遺傳抑制標(biāo)記。擬南芥含有三個Polycomb抑制復(fù)合體2催化核心的同源物：CURLY LEAF(CLF)、SWINGER(SWN)和MEDEA(MEA)。clf swn雙突變體表現(xiàn)出極度異常的發(fā)育，從根部長出愈傷組織樣生長物和芽樣結(jié)構(gòu)。擬南芥根毛細胞與非根毛細胞的比較顯示，H3K27me3差異標(biāo)記基因在細胞類型轉(zhuǎn)換過程中，表明PcG蛋白及其介導(dǎo)的H3K27me3在維持整個植物細胞命運決定中起主要作用。圖2b進一步說明了在雄性生殖細胞發(fā)育過程中，pre-tRNA基因位于MPS1基因的第9個內(nèi)含子中，該基因通過RdDM通路發(fā)生甲基化，這種甲基化對于維持正常的減數(shù)分裂過程至關(guān)重要。
環(huán)境響應(yīng)的表觀基因組可塑性
（1）預(yù)期環(huán)境誘導(dǎo)的發(fā)育
植物需要使其發(fā)育與周圍環(huán)境保持一致(例如在一年中的正確時間開花)，因此植物細胞感知和響應(yīng)環(huán)境信號的能力對其生存至關(guān)重要，這種響應(yīng)有時會通過表觀遺傳機制來實現(xiàn)。
一個典型的例子，擬南芥中的開花位點C(FLOWERING LOCUS C, FLC) 基因在調(diào)控開花時間中起著關(guān)鍵作用。植物通過感知冬季低溫（vernalization）逐漸沉默F(xiàn)LC基因，從而使其在春季開花。在有機體水平上，這種沉默是漸進的，但在基因水平上，每個位點都是從開啟到關(guān)閉的二元轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換通過三個階段發(fā)生，通過將FLC從表現(xiàn)H3K36me3的活性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸憩F(xiàn)H3K27me3抑制狀態(tài)。
圖3詳細展示了FLC基因在響應(yīng)低溫時的表觀遺傳變化過程，包括H3K36me3和H3K27me3的動態(tài)變化，以及這些變化如何通過PcG蛋白的作用實現(xiàn)FLC基因的長期沉默。
圖3：發(fā)育過程中表觀基因組對環(huán)境信號的可塑性。
溫度季節(jié)性變化通過表觀遺傳重編程擬南芥FLC位點，確保開花時間的精確調(diào)控。在初始溫暖條件下，F(xiàn)LC在每個細胞中表達，而反義轉(zhuǎn)錄本COOLAIR受到抑制。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)冷時，未知信號誘導(dǎo)COOLAIR表達，由于COOLAIR與FLC表達互斥，導(dǎo)致FLC表達下調(diào)。細胞中每個FLC拷貝獨立調(diào)控，因此局部染色質(zhì)變化調(diào)控正義與反義轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)換。COOLAIR轉(zhuǎn)錄本在順式作用中形成云狀結(jié)構(gòu)包圍FLC位點。COOLAIR的3'端由FCA復(fù)合體加工，該復(fù)合體與染色質(zhì)重塑復(fù)合體互作，最終導(dǎo)致H3K36me3水平降低。H3K36me3與H3K27me3具有拮抗作用，因此COOLAIR轉(zhuǎn)錄終止可能為H3K27me3獲得創(chuàng)造條件。隨著低溫持續(xù)，每個細胞中每個基因拷貝通過獨立隨機過程，由PcG蛋白在第一個外顯子和第一個內(nèi)含子起始處的三個核小體組成的成核位點沉積H3K27me3，使FLC沉默。單細胞中單FLC等位基因?qū)Φ蜏仨憫?yīng)的轉(zhuǎn)換頻率較低，意味著需要數(shù)周時間才能使所有細胞轉(zhuǎn)為沉默狀態(tài)。這種全株基因拷貝的二元開關(guān)轉(zhuǎn)化為整株植物冷暴露的量化指標(biāo)。最終當(dāng)溫度回暖時，H3K27me3通過DNA復(fù)制依賴性過程擴散至整個FLC位點，導(dǎo)致FLC穩(wěn)定沉默，直至下一代植株形成前重置。（2）脅迫誘導(dǎo)的表觀基因組可塑性
非生物脅迫的表觀基因組變化
鹽脅迫：擬南芥幼苗暴露于鹽脅迫后，發(fā)現(xiàn)成年植物再次暴露時的存活率提高(引發(fā))。觀察到全基因組H3K27me3減少，而H3K9me2保持穩(wěn)定。在高親和性K+轉(zhuǎn)運蛋白1(HKT1)位點H3K27me3減少伴隨著primed植物中HKT1轉(zhuǎn)錄本豐度增加，表明從HKT1去除H3K27me3可能是這些暴露植物脅迫反應(yīng)改善的原因。
水稻中的輔伴侶蛋白BCL-2-associated anthanogene 4(BAG4)是鹽脅迫敏感性的調(diào)節(jié)因子。BAG4與轉(zhuǎn)錄因子MYB106和DNA甲基化結(jié)合蛋白SUVH7互作，這些因子結(jié)合到HKT1;5啟動子。SUVH7結(jié)合到一個富含mCHG或mCHH的MITE型轉(zhuǎn)座子元件，當(dāng)該元件丟失時，HKT1;5對鹽的反應(yīng)減弱，表明這個甲基化的MITE作為增強子發(fā)揮作用。
多代鹽處理：一項研究擬南芥植物在五代中暴露于鹽的影響發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)過一代無鹽暴露，鹽暴露植物的后代也比對照植物更抗鹽。然而，一代無鹽暴露足以消除這種優(yōu)勢，表明這是一種短命的脅迫記憶。DNA甲基化機制突變消除了這種引發(fā)，記憶只能通過植物的母系遺傳。圖4a提出了脅迫可能通過誘導(dǎo)特定的表觀遺傳變化來增強植物對脅迫的響應(yīng)能力。
生物脅迫的表觀基因組變化
生物脅迫（如病原體感染）也能引起植物表觀基因組的變化。例如，擬南芥在感染真菌病原體Fusarium oxysporum時，需要通過DNA去甲基化來進行正常防御，表明要么DNA去甲基化需要用于活性防御基因表達程序，要么主動去甲基化需要維持甲基組狀態(tài)以實現(xiàn)正常功能，因此DNA甲基化的動態(tài)變化對于植物的免疫反應(yīng)至關(guān)重要。
圖4b和圖4c進一步展示脅迫可能通過誘導(dǎo)隨機的表觀遺傳變異或通過增強轉(zhuǎn)座元件沉默來響應(yīng)脅迫不同模型。
圖4：脅迫誘導(dǎo)的表觀基因組可塑性模型。
b. 模型2：脅迫誘導(dǎo)的表觀突變率增加導(dǎo)致在隨機靶基因上產(chǎn)生廣泛的表觀基因組和轉(zhuǎn)錄變化，由于隨機變化可能導(dǎo)致對特定脅迫的抗性增強。
c. 模型3：植物經(jīng)歷的脅迫可誘導(dǎo)脅迫響應(yīng)性轉(zhuǎn)錄程序。在啟動這一新轉(zhuǎn)錄程序后，可在鄰近轉(zhuǎn)座元件位點誘導(dǎo)表觀基因組變化以確保其持續(xù)被抑制，從而將表觀基因組變化作為轉(zhuǎn)錄變化的啟動因果關(guān)系逆轉(zhuǎn)。
不同植物間的表觀基因組變化
（1）自然存在的表觀等位基因及其作用和起源
自然表觀等位基因（epialleles）是由于表觀遺傳突變而產(chǎn)生的可遺傳的表型變化，這些變化并非由DNA序列變化引起，而是由于轉(zhuǎn)座元件的DNA甲基化狀態(tài)改變而引起。
番茄中的無色不成熟(colorless non-ripening, cnr)表觀突變是一個自然表觀等位基因的例子，可阻止果實正常成熟。只有不到0.1%的獨立植物通過恢復(fù)到野生型DNA甲基化狀態(tài)而結(jié)果，突出了這個表觀等位基因的穩(wěn)定性。cnr表觀等位基因部分由RdDM通路和甲基轉(zhuǎn)移酶1(MET1)活性維持。
擬南芥品系間的基因組和表觀基因組變異很常見。雖然單個堿基的DNA甲基化變異和基因體mCG變異似乎與DNA序列變異無關(guān)，但非CG DNA甲基化的大部分變異與遺傳變異相關(guān)，而非CG DNA甲基化變化通常位于品系間轉(zhuǎn)座子存在或缺失變異的位點附近。
圖5a展示了表觀等位基因的產(chǎn)生機制，通常與轉(zhuǎn)座元件沉默或激活有關(guān)，這些轉(zhuǎn)座元件的DNA甲基化狀態(tài)可以代代相傳，從而影響基因表達。
（2）人工誘導(dǎo)的表觀等位基因及其在農(nóng)業(yè)中的潛力
人工誘導(dǎo)的表觀等位基因在農(nóng)業(yè)中具有潛在的應(yīng)用價值。例如克隆植物繁殖有可能誘導(dǎo)表觀等位基因，通過組織培養(yǎng)再生植物可能會產(chǎn)生穩(wěn)定的表觀遺傳變化，這些變化可以導(dǎo)致新的表型變異。
表觀重組自交系(epigenetic recombinant inbred lines, epiRILs)通過將減少DNA甲基化1(decreased DNA methylation 1, ddm1)或met1突變體與野生型植物雜交，然后反復(fù)自交所得后代而開發(fā)，因此每個epiRIL將對DNA甲基化的不同模式純合。epiRIL群體的變異包括由于開花Wageningen(FWA)啟動子去甲基化引起的開花時間變異，以及改善的病原體抗性。
在油棕中，組織培養(yǎng)過程可能導(dǎo)致“mantled”表型的產(chǎn)生，這種表型表現(xiàn)為花器官的異常發(fā)育，從而影響果實的產(chǎn)量。圖5b展示了這種表觀變異的起源和機制，指出轉(zhuǎn)座元件的DNA甲基化變化可能是導(dǎo)致這些變異的原因。
圖5：表觀等位基因是表觀基因組中可遺傳的變化，能夠賦予植物特定表型。
b. 油棕植物中的表觀等位基因現(xiàn)象。高產(chǎn)油棕雜交種通常通過組織培養(yǎng)（而非親本雜交）繁殖，這種組織培養(yǎng)可能偶爾產(chǎn)生“Bad Karma”表觀等位基因。在含有“Good Karma”表觀等位基因的野生型植物中，油棕DEFICIENS基因內(nèi)含子中的Karma型轉(zhuǎn)座元件高甲基化。而在組織培養(yǎng)繁殖產(chǎn)生的“Bad Karma”表觀等位基因中，該轉(zhuǎn)座元件DNA甲基化丟失，導(dǎo)致轉(zhuǎn)座元件內(nèi)部提前終止轉(zhuǎn)錄，隨后剪接機制利用轉(zhuǎn)座元件內(nèi)的3′剪接位點產(chǎn)生截短的轉(zhuǎn)錄本，編碼提前終止密碼子，最終引發(fā)植物發(fā)育異常。
未來研究方向
作者提出，未來的研究方向應(yīng)涵蓋建立表觀遺傳變異與植物表型之間的因果關(guān)系，需要綜合考慮表觀遺傳變化的時間軌跡、是否與基因組其他特征（如轉(zhuǎn)座元件沉默）相關(guān)、是否可以在實驗系統(tǒng)中復(fù)現(xiàn)類似效果，以及是否由遺傳變異驅(qū)動表觀遺傳變化進而影響表型等。
在單細胞表觀基因組學(xué)和靶向表觀基因組編輯方面的新興技術(shù)進步提供了嶄新工具，研究人員能夠以前所未有的分辨率和大規(guī)模探究表觀基因組可塑性，并直接功能性地揭示相關(guān)變化的因果作用。
結(jié)論
文章總結(jié)了植物表觀基因組的可塑性在植物發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)中的重要作用。具體而言，表觀基因組可以在植物發(fā)育過程中發(fā)生變化，但由于群體中隨機表觀突變或響應(yīng)脅迫，特定表觀遺傳變化在維持基因組中起作用還是調(diào)控植物適應(yīng)性可能難以明確。得益于技術(shù)進步，單細胞表觀基因組分析方法的出現(xiàn)有望極大提高我們表征表觀基因組變異的能力。表觀基因組編輯工具盡管仍處于初級階段，但其發(fā)展?jié)摿薮螅型麨檠芯孔匀槐碛^遺傳變異以及為農(nóng)業(yè)創(chuàng)造新的表觀等位基因提供新的方法。
參考文獻：
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