植物表觀遺傳修飾的分子機制及其生物學功能

王靜宇 陳曉慧 賴鐘雄

摘? 要：表觀遺傳調控是指基于非DNA序列的改變所致基因功能的變化，最終導致生物多效性表型。表觀遺傳調控因子通過多種途徑調控基因表達，參與植物幾乎所有的生長發(fā)育過程。本文介紹了DNA甲基化、組蛋白修飾、RNA甲基化、染色質重塑、非編碼RNA、基因印記和母性效應等植物表觀遺傳修飾主要類型的分子機制，以及它們在細胞增殖、細胞分化、生物與非生物脅迫、開花、果實成熟和胚胎發(fā)育中的作用機制和生物學功能，并對其在農業(yè)上的應用作了展望。

關鍵詞：表觀遺傳;植物發(fā)育;DNA甲基化;組蛋白修飾;染色質重塑

中圖分類號：Q943.2? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Epigenetic regulation refers to the functions of genes based on the change of non-DNA sequence， which finally leads to the biological pleiotropic phenotype. Epigenetic regulators are involved in almost all plant growth and development by directing gene expression at multiple levels. In this paper， the main types and molecular mechanisms of plant epigenetic modifications， such as DNA methylation， histone modification， RNA methylation， chromatin remodeling， non-coding RNA， gene imprinting and maternal effects， as well as their action mechanisms and biological functions in cell proliferation， cell differentiation， biotic and abiotic stresses， flowering， fruit maturation and embryo development were reviewed while their applications in agriculture were finally prospected.

Keywords： epigenetics; plant development; DNA methylation; histone modification; chromatin remodeling

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.10.016

在1957年，由Waddington提出表觀遺傳學（epigenetics）這一概念之前，經(jīng)典遺傳學一直支配著人們對生物遺傳理論的認知。隨著對生命科學的深入研究，出現(xiàn)了一些無法用經(jīng)典遺傳學解釋的生命現(xiàn)象，例如，基因組完全一致的同卵雙生即使成長于相同的環(huán)境，他們的性格、身體素質等也會存在明顯的不同;某些表型只由其中一個親本的基因決定，另一親本的基因卻保持沉默;馬、驢正反交的后代會有較大的差異等。如今，作為遺傳學中的前沿分支學科，表觀遺傳學的發(fā)展則為這些現(xiàn)象的理解提供了可能。表觀遺傳調控是指基于非DNA序列的改變所致基因功能的變化，這些穩(wěn)定的、可遺傳的變化最終導致不同的表型。它與孟德爾的核內遺傳規(guī)律并不相符，由此認為基因組中可能主要蘊含2種類型的遺傳信息：一類是由DNA序列提供的經(jīng)典遺傳信息;另一類則是指導基因表達模式分化的表觀遺傳信息。如今隨著分子生物技術的迅速發(fā)展和完善，表觀遺傳調控在人類醫(yī)藥學、微生物代謝和植物生長發(fā)育過程中的研究和應用取得了相當?shù)倪M展[1]。近幾年，表觀遺傳修飾在擬南芥（Arabidopsis thaliana）、水稻（Oryza sativa）等模式植物中的開花、響應逆境脅迫、衰老等重要發(fā)育過程中的調控機制有了較為系統(tǒng)的認知。本文就植物表觀遺傳修飾類型及其在植物重要生物學過程中的分子機制進行系統(tǒng)表述。

1? 植物表觀遺傳調控類型及其分子機制

植物表觀遺傳主要涉及DNA甲基化、組蛋白修飾、RNA甲基化、染色質重塑、非編碼RNA、基因組印跡和母性效應等典型的調控類型。這些修飾類型彼此關聯(lián)，通過指導基因的時空表達參與生物學表型的重塑，對維持基因組穩(wěn)定和植物正常的生長發(fā)育至關重要。

1.1? DNA甲基化

DNA甲基化可以通過改變染色質結構、DNA構象、組蛋白修飾以及DNA與蛋白質的相互作用方式調控基因的表達;也可以通過抑制轉座子和外源DNA的轉錄，維持基因組的穩(wěn)定性，并在植物響應環(huán)境脅迫、花期調控、體細胞無性系發(fā)育等過程中執(zhí)行重要功能。真核生物中的DNA甲基化主要以5-mC和N6-mA形式存在，其中5-mC主要圍繞增強子和啟動子位點富集，是基因轉錄受抑制的表現(xiàn)，N6-mA則在轉錄起始位點有較高的豐度，是基因轉錄活性較高的標志[2]。

目前研究顯示植物DNA甲基化主要有2種模式：存在于對稱CG和CHG序列中的維持甲基化和非對稱CHH（H指A、T和G）序列中的從頭甲基化。植物中的從頭甲基化被稱為RdDM途徑，主要由一系列RNA（包括siRNA、scaffold RNA）和蛋白質介導（圖1）。在經(jīng)典RdDM途徑中，首先轉座子和高度重復序列區(qū)域在RNA聚合酶Ⅳ的作用下合成ssRNA（single-stranded RNA），隨后RNA聚合酶RDR2以之為模板合成dsRNA（double-stranded RNA），接著由DCL3（dicer-like 3）對其切割產(chǎn)生siRNA（short interfering RNA），經(jīng)HEN1（hua-enhancer 1）加工修飾后的siRNA招募DRM2（domains rearranged methylase 2），并與scaffold RNA和AGO蛋白（argonaute protein）結合配對甲基化同源DNA序列[3]。近期研究表明，與RNA聚合酶Ⅳ同源的RNA聚合酶Ⅱ也可誘導非經(jīng)典RdDM途徑。在此途徑中，RNA聚合酶Ⅱ不僅可以轉錄合成siRNA和scaffold RNA，而且可以通過招募RNA聚合酶Ⅳ、Ⅴ在RdDM靶標區(qū)域合成siRNA。CG和CHG維持甲基化分別由甲基轉移酶MET1和CMT3介導。CMT3和H3K9me2組蛋白甲基轉移酶SUVH4的缺失會降低DNA甲基化水平，但它們在CHG甲基化中的互作機制仍有待了解[4]。同時，DNA甲基化可由DNA糖基化酶/裂解酶ROS1介導的去甲基化途徑逆轉，存在于基因組中的主動或被動去甲基化可激活沉默狀態(tài)的基因。被動去甲基化是指基因組中DNA甲基轉移酶濃度或活性降低時導致未發(fā)生甲基化的胞嘧啶取代已甲基化的胞嘧啶或缺乏甲基供體致使DNA甲基化水平下降。主動去甲基化是ROS1基因家族切除5-mC后由堿基切除修復觸發(fā)的DNA去甲基化機制。DNA糖基化酶還包DME（demeter）、DML2（demeter- like protein 2）和DML3。

1.3.2? m5C? 研究表明，mRNA和tRNA m5C修飾位點分布于真核生物和古細菌中，但不存在于真細菌中，mRNA m5C水平在擬南芥不同組織細胞中呈現(xiàn)空間變化，提示m5C修飾的物種保守性和組織特異性[14]。m5C甲基化主要由NSUN（NOL1/NOP2/sun）家族蛋白介導，該家族中的NSUN2（也稱為TRM4）成員為mRNA m5C特異的甲基轉移酶，主要依賴2個半胱氨酸位點發(fā)揮催化活性，它的缺失可導致m5C甲基化水平明顯下降。近期，從擬南芥中鑒定出的TRM4B對植株根的發(fā)育及響應氧化應激等過程具有重要作用，且TRM4B介導的m5C修飾可能對隨后的翻譯過程起負面調控作用[14]。此外，DNMT2（DNA methyltrans-ferase 2）是RNA m5C和DNA甲基化的通用甲基轉移酶，人體DNMT2介導tRNAAsp的C38和miRNA甲基化，但不介導DNA甲基化[15]。m5C位點發(fā)生甲基化修飾后，可與ALYREF特異結合調控mRNA的出核效率。早期研究發(fā)現(xiàn)RNA m5C修飾可能通過DNA甲基轉移酶TET去除，但近期實驗顯示TET對RNA中m5C去甲基化起始位點5-mrC的酶解速率遠低于對應DNA鏈中的5-mdC，且目前尚未完全解析TET-RNA復合物的組分，因此TET介導m5C去甲基化機制仍有待明確[16]。

1.3.3? m1A? 目前m1A已在不同tRNA的第9、14、22、57和58核苷酸位點鑒定。其中m1A14和m1A22的修飾高度保守，僅存在于哺乳動物中的細胞質（cyt）tRNAPhe和細菌tRNA中，m1A57則僅作為水解脫氨基生成的1-甲基肌苷中間體短暫存在，因此，tRNA的第9和第58位為m1A修飾最佳研究位點。在真核生物中，（cyt）tRNA m1A58特異甲基轉移酶是由Trm6和Trm61這2個亞基組成的異四聚體，其中，催化亞基Trm61與輔因子SAM的活性甲基結合，Trm6由于缺少有關輔因子調節(jié)的保守基序而無法與之結合。每個異四聚體將2個tRNA分子結合到蛋白質復合物2個遠端的‘L形表面上，在此過程中tRNA中的D環(huán)和T環(huán)分離，包含待修飾堿基A58的T環(huán)通過C56堿基和糖磷酸骨架形成的大量氫鍵與活性位點穩(wěn)定結合;真核m1A9甲基化由Trm10介導，但Trm10與HSD10（17β-hydroxysteroid dehydrogenase type 10）復合才具有甲基轉移酶活性，Trm10-HSD10復合物以SAM為甲基供體催化m1A9位點的甲基化[17]。研究表明，m1A9和m1A58均可通過誘導起始tRNA的正確折疊提高其穩(wěn)定性，其中m1A58去甲基化酶ALKBH1已被鑒定，它的缺失會導致起始tRNA的積累，這與m1A58在起始tRNA結構穩(wěn)定性的作用一致[18]。此外，m1A富集于mRNA的5'-UTR區(qū)，并影響其定位、剪切、翻譯和穩(wěn)定性等，且葡萄糖和氨基酸的含量與mRNA m1A甲基化水平正相關。目前已將ALKB家族中的ALKBH3作為逆轉mRNA m1A甲基化并參與其動態(tài)調控的候選分子。

1.4? 染色質重塑

組蛋白共價修飾和依賴ATP的染色質重塑復合物CRCs（ATP-dependent chromatin remodeling complex）可以通過改變核小體的組成和定位局部或整體重塑染色質結構，從而改變DNA的“可及性”以調節(jié)組蛋白和DNA的互作。CRCs依賴其核心亞基SWI2/SNF2 ATPase中共有的DEXDc和HELICc結構域水解ATP供能，在調控基因轉錄、DNA修復和轉錄重組等核過程發(fā)揮重要作用。基于ATPase結構的差異，CRCs被分為SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80/SWR1這4個亞家族，它們具有各自特異的結構域和識別作用（圖2）。

1.4.1? SWI/SNF? SWI/SNF復合體是植物中最重要的一類保守CRCs，大多數(shù)SWI/SNF復合體可通過改變DNA與組蛋白的結合狀態(tài)體外滑動或分解核小體引起染色質重塑。由1個SWI2/SNF2 ATPase、1個SNF5和2個SWI3亞基構成的SWI/ SNF核心亞復合體即具有基本的染色質重塑活性，這些核心亞基可與一系列轉錄因子和核蛋白互作調控下游基因的表達，在植物開花、葉片發(fā)育、胚胎發(fā)生和應激反應等過程發(fā)揮作用。擬南芥基因組編碼4個SWI2/SNF2（BRM、SYD、CHR12/MINU1、CHR 23/MINU 2）、1個SNF5（BSH）和4個SWI3家族成員（SWI3A， B， C， D）[20]。其中只有BRM（brahma）具有SWI/SNF-ATPase典型的C端Bromo結構域，并被作為組蛋白乙?；慕Y合蛋白，Bromo結構域通過與C末端的DNA結合區(qū)域構成核小體結合模塊介導BRM和其他蛋白的互作，由此推測BRM最有可能是植物SWI/SNF復合體的催化亞基。擬南芥BRM是一個組成龐大、功能多樣的蛋白質復合物，由SUMO連接酶MMS21對BRM進行翻譯后修飾以維持其穩(wěn)定性[21]。在擬南芥基因組中，BRM與近1000個基因的啟動子和終止子區(qū)域互作調節(jié)靶基因的轉錄，表明BRM介導的轉錄可能受到其他亞基、互作蛋白或特定染色質區(qū)域中的不同核小體靶標的影響。此外，核小體的穩(wěn)定性與組蛋白H2A和其變體H2A.Z的替換相關，研究表明，SWI/SNF和H2A.Z定位于擬南芥基因組中數(shù)千個位點，它們在這些位點中既相互作用又彼此拮抗，共同調控相關核小體動力學[22]。

1.4.2? ISWI? 在真核生物中，ISWI蛋白通過與DDT結構域蛋白（DNA-binding homeobox and different transcription factor）形成保守CRCs改變核小體的位置;在此過程中，ISWI-ATPase C端的SANT、SLIDE結構域通過與核小體連接DNA互作將ISWI蛋白錨定在核小體上，并促進核小體延DNA鏈滑動。擬南芥基因組編碼的2種ISWI蛋白CHR11和CHR17負責調控核小體在基因區(qū)的分布“間距”，并通過與多種DDT結構域蛋白互作影響植物營養(yǎng)器官和花器官的發(fā)育[23]。

1.4.3? CHD? 植物CHD蛋白分為CHD1和CHD3兩類。CHD1蛋白的C端具有DNA結合區(qū)，并且可以通過獨立或協(xié)作DNA復制后染色質的組裝指導基因轉錄所需要的核小體定位;CHD3缺少DNA結合區(qū)，但含有與H3K4me3特異結合并促進下游基因轉錄激活的PHD結構域。擬南芥編碼1個CHD1同源蛋白CHR5和3個與CHD3同源的PKL（pickle）、CHR4、CHR7蛋白。其中，CHR5是SNC1（suppressor of npr1， constitutive 1）在植物免疫反應中誘導表達的正調控因子，PKL則通過調節(jié)H3K27me3的表達水平參與植物的生長發(fā)育[24-25]。

1.4.4? INO80/SWR1? 與其他亞家族相比，INO80/SWR1家族重塑因子的ATPase結構存在一個相當長的“插入?yún)^(qū)”，用于招募Rvb1/2解旋酶。該家族包含重塑因子INO80和SWR1，INO80復合體催化核小體H2A-H2B取代H2A.Z-H2B，SWR1則反向催化二聚體的替換。在真核生物中兩者高度保守，并共享RVB1和RVB2等多個不可或缺的亞基。但也具有各自特異的組成單位，其中ARP5和ARP6分別為INO80和SWR1的高

度特異性亞基。擬南芥INO80同源蛋白AtINO80與ARP5互作，對復制脅迫條件下染色體穩(wěn)定性的維持具有重要作用[26]。然而，AtINO80向局部染色質的募集會受到ARP6介導的H2A.Z定位的影響。ARP6作為SWR1的特異亞基，最近被證實與ISWI的作用蛋白MBD9（methyl-CpG- binding domain 9）存在組合互作[27];另外，ARP6和ARP5可聯(lián)合SWR1的其它核心亞基包括PIE1、SWC6參與調節(jié)DNA DSB（double-strand breakage）修復途徑同源重組的頻率?？傊?，INO80/SWR1復合體在DSB修復、染色體分離等多種核過程中存在亞基互作和組蛋白串擾，然而對其部分亞基包括RVB1、RVB2A/2B和精確的重塑機制如復合體被招募到其靶位點的途徑仍是未知。

1.5? 非編碼RNA

非編碼RNA（non-coding RNAs， ncRNAs）是一類由生物體基因組轉錄產(chǎn)生的含有遺傳物質但不編碼蛋白質的分子。全基因組和轉錄組測序結果表明，超過50%的擬南芥基因組可轉錄成RNA，其中絕大多數(shù)是缺乏蛋白編碼能力但在真核生物的生長發(fā)育和應激反應中發(fā)揮重要作用的ncRNAs。根據(jù)ncRNAs的功能差異，將其分為組成型ncRNAs（constitutive ncRNAs）和調控型ncRNAs（regulatory ncRNAs）兩大類，前者包括tRNA、rRNA、snoRNA（small nucleolar RNA）、snRNA（small nuclear RNA），后者主要包括miRNA（microRNA）、lncRNA（long ncRNA）和siRNA等。其中，調控型ncRNAs中研究最為透徹的miRNA是一類長為20～24 nt且高度保守的小分子RNA，通過與靶位點的堿基互補配對實現(xiàn)轉錄本的切割、降解和翻譯抑制，從而參與調節(jié)植物的生長發(fā)育。與miRNA不同，lncRNA是一類序列長度超過200 nt、作用機制復雜多樣的低保守性轉錄物，主要與大分子DNA、RNA和蛋白質等組合互作，在轉錄、轉錄后和表觀遺傳水平調控RNA代謝、蛋白質修飾、染色質重塑等，同時lncRNA的轉錄、剪切也受到DNA甲基化、RNA和組蛋白修飾的調節(jié)。研究表明，lncRNA主要通過參與信號通路、募集RNA結合蛋白、招募核糖核蛋白或染色質修飾酶至特定位點以及作為核糖核蛋白復合物的組合支架靶向蛋白質編碼基因[28]。

1.6? 基因印記

基因印記（genic imprinting）是指在配子或合子發(fā)生期間，來自不同親本的等位基因由于受到DNA甲基化和FISPcG介導的組蛋白差異修飾而表現(xiàn)偏好親源的選擇性表達。其中母源特異表達而父源被印記或沉默的基因稱為母本表達的印記基因（mat ernally expressed imprinted gene， MEG），反之稱為父本表達的印記基因（paternally expressed imprinted gene， PEG）。近幾年相繼在擬南芥、高粱（Sorghum bicolor）和水稻中發(fā)現(xiàn)多個印記基因，其中只有4個被鑒定為PEG（PHE1、PEG1、HDG3和At5G62110），而有20個表現(xiàn)為MEG印記。這些印記基因絕大多數(shù)在胚乳中表達，它們可通過調控早期胚乳的細胞化決定種子發(fā)育大小，并在種子花青素的合成以及營養(yǎng)物質的運輸與分配中發(fā)揮重要作用。

1.6.1? MEG印記機制? 植物基因組中由差異DNA甲基化形成MEG等位基因表達和沉默的機制主要與DNA糖基化酶DME的特異表達相關。DME具有5-mC切除活性，并在雌配子體的中央細胞中特異表達，同時DNA甲基轉移酶MET1的表達受到成視網(wǎng)膜細胞瘤途徑（retinoblastoma pathway）的抑制，此途徑涉及RBR1（retinobl astoma related1）及其伴侶分子MS1（multicopy supressor of ira1）的作用;但MET1的單獨抑制并不足以移除MEG母源等位基因的甲基化印記，因此，MEG在卵細胞中缺乏DME和MET1被抑制的情況下仍維持甲基化狀態(tài)。雄配子體中的MET1雖正常表達，但不存在DME的活性轉錄，因此最終只有MEG母源等位基因在胚乳中表達，而在胚胎中保持沉默[29]。

1.6.2? PEG 印記機制? 目前有關PEG的印記機制主要在印記基因PHE1的研究中較為完善，PHE1等位基因的表達與多梳抑制復合體FISPcG2相關。在雌配子體的中央細胞中，DME的特異表達導致PHE1 3'端差異甲基化區(qū)（diffe r entially methylated region， DMR）的去甲基化，隨后FISPcG2復合體與PHE1啟動子區(qū)的多梳響應元件（polycomb response element， PRE）和去甲基化的DMR形成穩(wěn)定的染色質內環(huán)，同時FISPcG2復合體通過催化H3K27me3的形成抑制PHE1的表達;而在雄配子體中由于DMR的甲基化修飾和FISPcG復合體的缺失，PHE1的啟動子區(qū)域不含或含有少量的甲基化位點，因此，PHE1的父源等位基因在胚乳中活躍表達[30]。

1.7? 母性效應

母性效應是指在不改變遺傳因素的條件下，由母本核基因影響或決定其子代某一性狀的表現(xiàn)型，以緩沖子代在異質環(huán)境中的生存壓力增強其適應性。早期胚胎的發(fā)育即涉及典型的母性效應。自受精開始，特異儲存在卵母細胞中的一些基因啟動表達，其轉錄產(chǎn)物mRNA或編碼蛋白質在卵母細胞向胚胎的過渡中發(fā)揮著關鍵的作用，而這些基因（母性效應基因）一旦有所缺失，即使相應的父源基因正常表達也會導致胚胎發(fā)育缺陷或停滯。目前，植物中有關母性效應基因的研究主要集中于擬南芥，擬南芥母性效應胚胎滯育基因MEE/MIS1是FISPcG2的組成亞基，負責調控印記基因的表達與沉默[31];MEE/MIS1在擬南芥響應干旱脅迫、適時開花和胚珠發(fā)育等過程中發(fā)揮著重要的作用。我們從龍眼中鑒定出的擬南芥MEE/MIS1同源基因MEE70-1a/b主要定位于過氧化物酶體和細胞核，生物信息學分析顯示它們可能協(xié)同調控種子萌發(fā)和胚胎發(fā)育等過程，與擬南芥相比可能具有更復雜的代謝途徑[32];但迄今為止，母性效應在植物中的研究較為落后，其在早期胚胎發(fā)育中的詳細調控機制仍需進一步研究。

2? 植物表觀遺傳的生物學功能

2.1? 細胞增殖

表觀遺傳修飾廣泛參與了細胞對基因表達的控制，在細胞生長、分化、增殖和疾病狀態(tài)中起關鍵性的作用。Pathania等[33]研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基轉移酶DNMT1對于乳腺干細胞和癌癥干細胞的維持是必不可少的，在乳腺發(fā)育和腫瘤發(fā)展中起到了重要的作用;EZH2（enhancer of zeste homolog 2）主要對組蛋白H3K27進行甲基化，由此沉默下游基因，在細胞增殖、分化和腫瘤形成方面起到了重要的作用。Yin等[34]通過研究表明，EZH2通過組蛋白甲基轉移酶活性調控了NK（natural killer）細胞的分化和功能，去除EZH2或抑制其活性可以促使造血干細胞及祖細胞生成更多更強的NK細胞。此外，表觀遺傳調控異常會干擾干細胞功能和組織內穩(wěn)態(tài)，其嚴重程度取決于出現(xiàn)問題的組織類型和表觀遺傳學調控子。

愈傷組織的形成是高等植物組織培養(yǎng)中器官從頭再生過程的一個關鍵步驟。近年的研究發(fā)現(xiàn)Polycomb和ISWI表觀遺傳通路對于葉片形成愈傷組織至關重要。Polycomb通過組蛋白甲基化途徑控制基因組表觀信息在細胞命運轉變中的重排，主要負責沉默葉特征基因的表達。ISWI是ATP依賴型染色質重塑因子，在擬南芥中由CHR11與CHR17兩個基因編碼，chr11-1、chr17-1雙突變體可導致其葉片外植體無法再生愈傷組織[35]。

植物器官的發(fā)育取決于精細的生長調控。組蛋白去乙?；窰DACs通過形成具有不同調節(jié)亞基的多種共抑制因子復合物來實現(xiàn)其在特異的組織或細胞中的功能，調節(jié)特異靶標基因的表達。其中，HDC1（histone deacetylase complex 1）作為核心與HDAC復合物的多個組成蛋白相互作用，調節(jié)植物的器官大小。最近，Zhang等[36]報道了黃瓜（Cucumis sativus）果實細胞增殖的表觀遺傳調控機制，該研究鑒定了一個細胞增殖受到抑制的短瓜突變體sf2。SF2編碼了一個擬南芥HDC1的同源蛋白，主要在分生組織中表達，這與其通過HDAC復合體調節(jié)細胞增殖的作用相一致。在sf2突變體中，SF2第515位的甘氨酸（G）突變?yōu)楣劝彼幔‥），導致SF2在全基因組水平的結合能力減弱，組蛋白乙?；缴摺Ｈ蚪M水平比對分析表明，SF2直接靶向并促進多種植物激素途徑和細胞周期調控關鍵基因的組蛋白去乙?；?，并在細胞增殖過程中抑制或激活它們的表達。進一步研究表明，SF2通過直接靶向細胞分裂素和多胺的生物合成與代謝來控制果實細胞增殖。

2.2? 細胞分化

細胞分化是指多能性細胞特化為不同類型細胞的過程，這一過程依賴于表觀遺傳修飾對發(fā)育調控因子時空表達的有序調節(jié)。研究表明，大麥（Hordeum vulgare）小孢子重塑胚胎發(fā)育的過程中伴隨著細胞命運和發(fā)育程序變化的DNA甲基化重編程，DNA甲基化在胚細胞第一次發(fā)生分裂的過程中維持低水平狀態(tài)，但隨著后期胚胎的分化逐漸升高[37];玉米（Zea mays）葉片組織細胞從增殖到分化的過程中伴隨著DNA甲基化水平的顯著變化，其中參與細胞周期、染色質重塑等過程的基因發(fā)生了差異甲基化，但基因區(qū)內的差異甲基化與轉錄水平無相關性，只有位于基因上游的差異甲基化與轉錄負相關。近期研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白修飾復合物PcG-PRC2突變體中H3K 27 me3的缺失導致多個階段的發(fā)育異常，包括愈傷組織再生、胚胎到幼苗的過渡[38]。此外，PRC2組件CLF突變體中根分生組織調節(jié)因子WOX5（wuschel-related homeobox 5）、PLT（plethoral）和AGLs（agamous-like）被顯著上調，最終導致根干細胞活性增強和分生區(qū)擴大，而染色質重塑因子PKL突變體則表現(xiàn)出了相反的表型，提示PcG可能通過拮抗PKL維持根分生組織活性[39]。最近研究表明，PKL參與植物基因組H3K27me3的動態(tài)調節(jié)也支持了這一推斷[25]。另外，組蛋白乙酰轉移酶GCN5和重塑子BRM可通過調控PLT的表達參與根尖干細胞微環(huán)境的調節(jié)，然而GCN5是否通過調節(jié)PLT的乙?；接绊懫浔磉_還有待證明。在水稻中，轉錄因子WOX11通過募集GCN5及其互作蛋白ADA2激活下游基因的轉錄，從而促進冠根的伸長;而組蛋白去乙?；窰DT1/2可通過靶向赤霉素氧化酶GAox2的啟動子區(qū)抑制其在分生區(qū)的表達，對調節(jié)根尖靜止中心的細胞分裂發(fā)揮了重要作用[40]。在莖尖分生組織中，AG（agmous）在WUS（wuschel）位點通過招募CLF、EMF2等PcG因子抑制其表達，最終在干細胞身份無法維持的情況下促進花器官的形成[41]。在胚胎發(fā)生的過程中，KNOX（knotted1-like homeobox）負責維持周邊區(qū)內部細胞的增殖和未分化狀態(tài)，而PcG組件LHP1、CLF、VRN2、FIE、RING1A/B和EMF4參與了KNOX的轉錄調節(jié)[42]?？傊?，PcG介導的轉錄抑制在平衡細胞增殖和分化中發(fā)揮了關鍵的作用。

2.3? 生物脅迫

植物通過病原體相關分子模式（PAMP）觸發(fā)的免疫（PTI）和效應器觸發(fā)的免疫（ETI）保護自己免受病原體的攻擊。PTI和ETI途徑的激活依賴于多種調節(jié)機制嚴格調控的轉錄重編程。研究發(fā)現(xiàn)PolⅤ依賴型DNA甲基化的缺失增強了擬南芥對丁香假單胞菌番茄致病變種DC3000的免疫[43]。在小麥（Triticum aestivum）中，接種白粉菌（Blumeria graminis f. sp.， Bgt）通過降低AGO4a相關聯(lián)的siRNA水平下調CHH甲基化，從而激活AeGlu/PR2-like等防御基因以增強對Bgt的抗性，提示DNA甲基化可能作為細菌和活體營養(yǎng)性真菌抗性的負調控因子[44]，這與早期DNA甲基化抑制劑5-氮雜胞苷（5-azadeoxycytidine）處理增強水稻白葉枯病細菌抗性的實驗結果一致。然而，RdDM通過促進茉莉酸信號正調節(jié)植物對灰葡萄孢（Botrytis cinerea）和黃瓜枯萎菌（Plecto sph aerella cucumerina）等死體營養(yǎng)性真菌的抗性，提示植物的免疫應答途徑中存在不同的DNA甲基化調節(jié)機制[45]。與此類似，染色質重塑復合體SWR1和H2A.Z也可誘導擬南芥對活體和死體營養(yǎng)病原物不同的防御機制。在水稻中，SNF2類重塑因子BRHIS1通過與單泛素化組蛋白變體包括H2B.7和H2A.Xa/Xb/3互作促進不依賴水楊酸信號防御基因的表達，從而誘導對稻瘟病菌的先天免疫[46]。植物免疫也需要SDG組蛋白甲基轉移酶依賴性轉錄組的2個基因CCR2和CER3。它們分別編碼類胡蘿卜素和角質層臘質生物合成酶。研究表明SDG8/25突變體中H2Bub1靶向的抗病基因SNC1以及CCR2、CER3位點的H2B泛素化水平均顯著降低，提示SDG8/25可能通過影響H3K4、H3K36甲基化水平直接或通過H2B泛素化間接調節(jié)免疫基因的表達[47]。

2.4? 非生物脅迫

2.4.1? 低溫脅迫? CBF（C repeat binding factor）- COR（cold responsive）是植物低溫響應機制的核心組分。研究發(fā)現(xiàn)染色質重塑因子PKL介導了CBF-COR低溫應答途徑，PKL參與RdDM途徑的調節(jié)，并通過與組蛋白甲基轉移酶CLF和SWR1類染色質重塑因子PIE1協(xié)作調控COR基因中的H3K27me3水平，因此，PKL可能通過H3K27me3的轉錄抑制效應調節(jié)COR基因的染色質狀態(tài)以響應低溫脅迫[48]。此外，低溫脅迫轉錄因子的表達還受組蛋白乙?；窰AT和去乙酰化酶HDAC的動態(tài)調節(jié)。正常條件下，擬南芥去乙酰化酶HD2C被活性轉錄的E3泛素連接酶HOS15募集至COR的啟動子區(qū)，并通過去乙酰化作用抑制其表達。低溫處理下，HOS15介導的HD2C泛素化降解可提高COR的乙?；?，同時轉錄因子CBF被招募至下游COR的啟動子區(qū)以提高其轉錄活性[49]。在血橙（Citrus sinensis）中，低溫脅迫可以特異誘導果實中反轉座子的轉錄激活，從而促進下游Ruby基因的表達以影響隨后的花色苷合成[50];但在不同品種中花色苷合成所需的Ruby表達水平有較大差異，提示合理利用低溫脅迫可以形成理想的農藝性狀。

2.4.2? 高溫脅迫? 表觀遺傳修飾在植物的高溫應激反應中主要具有3個方面的信號轉導途徑。其一，高溫應答途徑中的核心轉錄因子HSFA1（heat shock transcription factor A1）負責激活下游HSFA2的表達，隨后HSFA2通過招募H3K9ac和H3K4me3促進下游APX2、HSP18、HSP22等熱休克基因的轉錄[51];其二，高溫脅迫通過克服RdDM途徑對其靶標SDC（suppressor of drm1 drm2 cmt3）的沉默效應誘導下游熱休克基因的表達[52];其三，高溫脅迫通過誘導ONSEN（Ty1/ Copia-like）反轉座子的激活介導“跨代”脅迫記憶的形成，此過程中ONSEN的活性受RdDM途徑中siRNA的嚴格調控。早期研究發(fā)現(xiàn)HSPs（heat shock proteins）和HSFs的表達水平與水稻、大豆（Glycine max）、番茄（Solanum lycopersicum）等植物的耐熱能力呈正相關，如番茄HSP21和大豆HSFA1的過表達可分別增強它們在高溫脅迫中的耐受性，但在無脅迫條件下也會對它們產(chǎn)生生長遲緩等負面作用[53]。

2.4.3? 鹽脅迫? 在植物中，HKT1（high-affinity k+ channel 1）與SOS（salt overly sensitive）途徑協(xié)作賦予植物在鹽脅迫下的耐受性。正常條件下，RdDM依賴型的DNA甲基化使擬南芥HKT1和鹽誘導轉錄因子MYB74維持低水平的轉錄，然而在鹽脅迫條件下隨著MYB74的上調表達，幾乎無法檢測到其甲基化和siRNA活性[54]。小麥HKT1也具有類似的DNA甲基化調節(jié)途徑，鹽脅迫特異誘導鹽敏感和耐鹽基因型品種芽和根中的m5C甲基化，從而抑制HKT2;1和HKT2;3的表達，然而根中HKT14的下調與m5C的甲基化作用無關[55]。此外，組蛋白修飾如甲基化、乙?；土姿峄矃⑴c植物的鹽脅迫應答途徑。在正常處理下，2種組蛋白去乙?；窰D2C和HDA6協(xié)作抑制脫落酸響應因子ABA1和ABI2的表達。其中，ABI2介導SOS2途徑的失活及其靶標的去磷酸化，高鹽條件會抑制HD2C的活性，并誘導與染色質密度相關的H3 Ser-10磷酸化，H3K9K14ac和H3K4me3等活性轉錄標記被募集到鹽脅迫應答因子中，而H3K9me2和H3K27me3等抑制轉錄標記明顯下調。研究表明，高鹽處理下擬南芥HKT1的轉錄激活與其基因區(qū)H3K27me3的去除相關[56]。此外，H3、H4的乙酰化和H3 Ser-10磷酸化水平在擬南芥和煙草（Nicotiana tabacum）的不同脅迫反應中均明顯上調，但具有不同的調節(jié)機制。

2.4.4? 干旱脅迫? 干旱脅迫誘導ABA的生物合成，ABA則對植物的抗旱性起反饋調節(jié)作用。干旱脅迫可降低脅迫應答因子RD29A和RD29B啟動子區(qū)的核小體密度，該區(qū)域所含的ABRE（ABA-responsive element）可通過招募AREB（ABA-responsive element binding 1）和DREB（dehydration responsive element binding protein）促進RD29A和RD29B的表達，且干旱持續(xù)時間與它們的表達量呈正相關。研究表明，SWI/SNF染色質重塑因子的核心組分CHR12在干旱脅迫誘導的擬南芥瞬時生長停滯中發(fā)揮作用，另一組分SNF5在豌豆（Pisum sativum）的應激反應中誘導表達，提示SWI/SNF重塑復合物對不同植物干旱響應途徑中染色體結構的調節(jié)具有重要作用[57]。此外，干旱響應基因的表達還受組蛋白修飾的動態(tài)調控。ABA關鍵合成酶NCE3的活性與其基因區(qū)內H3K4me3的水平相關，RD29A、RD29B、RD22和RAP2.4等干旱應答因子的啟動子區(qū)通過富集H3K4me3和H3K9ac實現(xiàn)活性轉錄，這些組蛋白活性標記的豐度還隨著干旱程度的升高而升高。而在脅迫恢復的過程中，H3K9ac擁有比H3K4更快的降解速度[58]。最近研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫應答因子中H3K27me3水平的降低也是賦予植物抗旱性的因素之一，其結合蛋白PRC1復合物通過轉錄抑制干旱響應的NAC轉錄因子ANAC019和ANAC055對ABA依賴的抗旱性起負調控作用。在毛果楊（Populus trichocarpa）中，多數(shù)NAC家族成員的啟動子區(qū)含有ABRE元件，AREB可與之結合，并招募ADA2b-GCN5組蛋白乙酰轉移酶將H3K9ac富集于NAC中以促進其表達，進而增強植物的抗旱性[59]。對毛果楊的進一步研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫誘導的DNA甲基化指導相關基因的表達，但其調控機制仍處于未知狀態(tài)。已證實含有轉座元件MITE的玉米NAC111可通過H3K9me2和RdDM途徑抑制干旱脅迫應答基因的表達[60]。

2.5? 開花

不同類型的花器官由各輪中同源異型A、B、C、D、E基因的特異組合所決定，大多數(shù)植物的花同源異型基因編碼MADS結構域蛋白，其中A類基因編碼AP1（apetala 1）和AP2，B類編碼AP3和PI（pistillata），C類和E類則分別編碼AG和SEP（sepallata）轉錄因子。Smaczniak等[61]根據(jù)擬南芥花發(fā)育過程中的標志性事件將其劃分為12個階段，在第1～2階段即花原基形成期間，花同源異型B和C類基因的表達被EMF2-PRC2復合物介導的H3K27me3沉默，SWI/SNF重塑因子SYD、BRM被成花關鍵基因LFY（leafy）、SEP3招募至AG和AP3位點進行轉錄激活。與此同時，H3K4me3甲基轉移酶trxG蛋白ULT1通過與同源ATX1/SDG27互作激活AG和其他MADS家族基因的表達。從第3階段花萼原基出現(xiàn)開始，AG通過招募PcG抑制WUS，并通過驅除KNU（knuckles）基因座中的PcG誘導其轉錄，直至第6階段完全沉默WUS并終止花干細胞的分化。在此過程中，乙酰轉移酶AtGCN5可能參與調節(jié)AG和WUS的時空表達，同時H3K27me3去甲基化酶REF6通過與AG和SEP3互作促進下游靶標包括誘導雄蕊和心皮正常發(fā)育因子的轉錄[62];在第6階段，MADS通過招募染色質重塑因子CHR4/11/17與SEPs、AP1、AG、PI和AP3等同源異性蛋白形成復合物調節(jié)長雄蕊房室的發(fā)育[63]。在第8～12階段，H3K4甲基轉移酶SDG2可能在雌雄配子體發(fā)育過程中介導基因的活性轉錄，而FIS2-PRC2復合物在配子發(fā)生和種子發(fā)育過程中的基因沉默中起作用。此外，H3K36甲基轉移酶SDG4在花粉管的形成中發(fā)揮重要作用。在花的轉變過程中，關鍵開花阻遏基因FLC（flowering locus C）需要被多梳響應元件PRE和染色質重塑因子INO80與H2A.Z的互作所沉默。此外，SWR1有利于FLC的轉錄激活，最新研究發(fā)現(xiàn)其組成亞基YAF9A在控制開花方面存在一條依賴H4和H2A.Z乙酰化的新型調控通路[64]。

2.6? 果實成熟

近年研究發(fā)現(xiàn)m5C、m6A以及組蛋白甲基化在番茄果實成熟過程中建立了重要的分子聯(lián)系，其中非活性轉錄的DNA甲基化通過靶向m6A去甲基化酶ALKBH2調控m6A水平，ALKBH2則作用于ROS1高度同源的DML2對DNA甲基化進行負反饋調節(jié)，同時DML2通過催化成熟誘導基因的去甲基化以激活它們的轉錄，包括參與細胞壁水解（PG2a、PL）、類胡蘿卜素（PSY1、Z-ISO、ZDS）以及乙烯生物合成和信號轉導的基因（ACS、ACO和ETR），從而促進果實的成熟和軟化，ALKBH2是否同時靶向這些基因還有待進一步研究[65-66];而組蛋白去甲基化酶JMJ6既可以通過降低DML2的H3K27me3水平促進其表達，也可以直接靶向相關基因參與果實成熟的調節(jié)[67];此外，HDA1型組蛋白去乙?；窰DA1和HDA2的下調可促進乙烯的生物合成和類胡蘿卜素的積累，進而加速果實成熟，而HD2型去乙?；窰DT3的沉默卻發(fā)揮相反的作用，組蛋白乙酰化與甲基化是否存在聯(lián)系仍是未知[68-70]。草莓（Fragaria ananassa Duch.）果實的成熟也需要全基因組范圍的DNA低甲基化，但在此期間DML2并不被上調，DNA甲基轉移酶和RdDM活性的降低導致DNA去甲基化占據(jù)主導地位[71];香蕉（Musa nana Lour.）HDA1則通過與轉錄因子ERF11（ethylene response factor11）互作抑制成熟相關基因的表達[72]，提示誘導果實成熟的調控機制可能因其種類而異。

2.7? 胚胎發(fā)育

眾多研究表明，不同表觀遺傳調控類型介導了植物胚胎的發(fā)育，其中最主要的是DNA甲基化和組蛋白修飾。Bouyer等[73]研究發(fā)現(xiàn)成熟胚胎中CHH甲基化增加導致總DNA甲基化水平升高，CHH甲基化在早期和成熟胚胎中的差異在富含轉座子和基因缺乏的著絲粒周圍區(qū)域中最為明顯，提示胚胎發(fā)育過程中染色體存在不同的甲基化動力學。對擬南芥DNA甲基化相關基因MET1和CMT3功能缺失突變體研究發(fā)現(xiàn)，其胚胎發(fā)育在細胞分裂平面和數(shù)量發(fā)生異常變化，且胚胎生存能力降低。兩種組蛋白去乙?；窰DAC6/ HDAC19也在胚胎發(fā)育中具有重要的調控作用，在擬南芥萌芽過程中，HDAC6/HDAC19通過抑制胚胎特異性基因功能直接或間接冗余的調控胚胎特性[74]。在種子發(fā)育期間，CHD類染色質重塑因子CHR5和PKL通過拮抗作用于染色質不同方面的修飾調節(jié)胚胎發(fā)育因子的轉錄，CHR5可通過克服核小體屏障與ABI3（abscisic acidinsensitive 3）和FUS3（fusca 3）的啟動子區(qū)結合，并降低轉錄起始位點附近的核小體密度;PKL則通過促進H3K27me3抑制相關基因的表達[75]。此外，種子發(fā)育的核心調控因子LEC1（leafy cotyledon 1）通過與不同轉錄因子互作參與調控胚胎形態(tài)發(fā)生和種子成熟等多個生物學過程。近期揭示了LEC1在早期胚胎中通過激活FLC重置春化狀態(tài)的分子機制。在胚胎發(fā)育早期，LEC1通過在FLC位點募集組蛋白甲基轉移酶EFS和染色質重塑因子SWR1C促進H3K36me3水平的升高和轉錄抑制標記H3K27me3的消除，由此形成的FLC活性染色質狀態(tài)持續(xù)到整個胚胎發(fā)育時期及幼苗期，隨后冬季低溫則通過招募PRC2復合體富集H3K27me3以沉默F(xiàn)LC活性狀態(tài)，并使這種沉默狀態(tài)維持到春季回暖期形成“低溫記憶”，這種記憶直至胚胎發(fā)育早期以LEC1激活FLC的形式被擦除[76]。

植物體胚發(fā)生過程中基因的時空表達同樣受到表觀遺傳修飾尤其是DNA甲基化的動態(tài)調節(jié)。DNA甲基化模式的改變或修飾可參與植物體胚發(fā)生的啟動和發(fā)育過程中多種候選標記基因的調控。例如在輻射松（Pinus radiata D. Don）體細胞胚胎發(fā)生中，SERK1（somatic embryogenesis receptor-like kinase）、BBM（baby boom）和WOX2（WUS homeobox 2）基因的表達水平降低與DNA甲基化總體水平的增加相關[77]。此外，生長素可能以SAM和SAH（S-腺苷半胱氨酸）為媒介調控DNA甲基化。在培養(yǎng)基中去除2，4-D時可抑制乙烯的生物合成，引起SAM與SAH的濃度比值升高并最終導致DNA甲基化水平增加[78]。近期研究發(fā)現(xiàn)DNA和組蛋白甲基化在體胚誘導過程中存在不同的組合互作，其中RdDM和H3K9me2可能協(xié)同促進陸地棉（Gossypium hirsutum）NEC（non-embryonic callus）到EC（embryonic callus）階段的CHH甲基化動力學，而在EC至SE（somatic embryo）階段中伴隨著DNA甲基化和H3K9me2水平的降低;在中?？Х龋–offea canephora）中，DNA甲基化的減少和H3K9me2、H3K27me3水平的降低相關[79-80]。

總之，以DNA甲基化和組蛋白修飾為代表的表觀遺傳調控在植物胚胎發(fā)育過程中發(fā)揮著至關重要的作用。

3? 展望

表觀遺傳修飾廣泛地參與了植物的生長發(fā)育，重要發(fā)育因子中表觀遺傳標記的動態(tài)變化導致染色質“可及”狀態(tài)的改變，進而在轉錄或翻譯水平調節(jié)發(fā)育因子的表達。然而，表觀遺傳在植物響應非生物及生物脅迫、胚胎發(fā)育、果實早期發(fā)育中的作用機制仍不清楚。例如，對非生物脅迫如何通過表觀遺傳調節(jié)染色質狀態(tài)和隨后的轉錄重編程仍缺乏完整和清晰的認知?？傊?，關于植物生長發(fā)育過程中的表觀遺傳密碼仍需要更深入的研究。在植物表觀遺傳的高通量測序和染色質分析技術快速發(fā)展的背景下，越來越多的植物表觀基因組將會被破譯，這將大大促進我們對模式植物及農作物生長發(fā)育過程中表觀遺傳調控機制的研究、理解和應用。植物表觀遺傳在農業(yè)上應用前景廣闊，研究表明，玉米、杉木（Cunninghamia lanceolata）和高粱的親本和雜種之間的特異基因組位點存在差異甲基化，水稻自交系之間也存在類似甲基化模式的差異，并且與F1代雜種某些DMRs的轉錄水平相關。這些發(fā)現(xiàn)支持了表觀遺傳調控與雜種優(yōu)勢之間的潛在聯(lián)系。最近，在龍眼上進行了一系列體胚發(fā)生的關鍵基因包括RNA甲基化m6A修飾酶基因、組蛋白甲基化SDG基因家族的鑒定，以及DNA甲基化基因鑒定和甲基化水平的測定為利用表觀遺傳修飾的調控培育無核或焦核龍眼新品種的培育奠定了基礎。此外，龍眼母性效應基因MEE70的鑒定也為穩(wěn)定無籽育種工作的開展提供了良好的理論基礎?？傊?，眾多關于表觀遺傳修飾在植物重要發(fā)育過程中的研究暗示了其在雜種優(yōu)勢利用、多倍體育種、抗性育種、開花與花形態(tài)調控、胚胎發(fā)育調控、果實成熟調控等領域具有巨大的應用潛力，這將開辟新的育種思路，特別是結合基因編輯調控表觀遺傳的分子育種，將會顯示出巨大的應用潛力。

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