與動物不同，植物的生殖細胞起源於營養生長向生殖生長轉變的過程中，某個特定的體細胞發生的細胞命運轉變。模式植物擬南芥的雌配子發育起源於胚珠原基中大孢子母細胞(Megaspore mother cell, MMC)的形成。在胚珠的發育過程中，珠心頂端的一個亞表皮細胞發生細胞命運轉變由體細胞轉變為生殖細胞，該細胞的細胞大小以及細胞核大小迅速增大，隨後進行一次減數分裂形成四個大孢子，其中，其中靠近合點端的細胞轉變為功能性大孢子而其餘三個細胞退化消失，功能性大孢子隨後進行兩輪有絲分裂，最終形成包含一個卵細胞，一個雙核中央細胞，兩個助細胞和三個反足細胞的七細胞八核的完整雌配子體（胚囊）。作為雌配子體形成的開端，MMC的形成至關重要。在大部分植物中，一個胚珠中隻允許形成一個MMC。近年來研究發現植物激素和表觀遺傳途徑紊亂均導致胚珠原多個MMC。本課題組前期研究發現擬南芥主要的DNA甲基轉移酶MET1功能受阻也導致多個MMC產生，但全基因組範圍內DNA甲基化在多大程度上以及如何參與MMC旁側體細胞的命運決定的調控機製並不清楚。
2025年2月3日，鄭丙蓮課題組在The Plant Cell在線發表了題為“The DNA methylation–demethylation balance prevents development of multiple megaspore mother cells in Arabidopsis”的研究論文。該研究觀察了擬南芥胚珠整個發育過程中不同細胞的DNA甲基化水平的時空變化，揭示了DNA甲基化水平的穩態維持是阻止周圍體細胞向大孢子母細胞轉變的前提條件。
為了探究DNA甲基化維持單個MMC的機製，本研究首先對擬南芥中已知的DNA甲基化以及去甲基化酶的突變體的胚珠進行了觀察，發現三類DNA甲基化（mCG，mCHH, mCHG）以及去甲基化都參與保證單個MMC的維持，突變體中部分胚珠中出現MMC類似的異常細胞。隨後，通過構建DNA甲基轉移酶和去甲基化酶的雙重突變體，或者對DNA去甲基化酶突變體用DNA甲基化轉移酶的抑製劑處理，兩種手段均使得突變體植物中的DNA甲基化水平重新達到平衡，結果發現回補植株中的MMC數目正常。這些表型觀察的結果說明DNA甲基化的相對平衡而非絕對水平是維持單個MMC的重要前提。為了探究胚珠發育過程中DNA甲基化水平的細胞間分布情況，本研究利用指征mCHH水平的熒光報告係統詳細比較了MMC和周圍體細胞（最外層L1細胞、旁側體細胞L2-f、下端體細胞L2-u）的不同發育階段的CHH甲基化水平。結果發現MMC前體細胞的mCHH在胚珠原基細胞形態特征未出現分化之前就開始下降，早於廣泛使用的MMC marker基因KNU的表達。在DNA甲基化酶與去甲基化酶突變體中，MMC的部分旁側體細胞L2-f的mCHH也會下降到類似於MMC的極低水平。為了探究mCHH在MMC中降低的機製，本研究分析了所有DNA甲基轉移酶和去甲基化酶的時空表達，結果發現從頭DNA甲基轉移酶DRM2的表達在MMC特化之前就降低，而DNA去甲基化酶DME則在MMC的marker KNU表達後開始降低。這些觀察提示我們MMC旁側體細胞L2-f中DRM2與DME的相對平衡可能是抑製這些體細胞轉變成MMC的關鍵。為了驗證該假設，我們在drm1/2突變體MMC旁側體細胞L2-f中特異性回補DRM2或降低DME的表達水平，結果發現該遺傳手段能有效地回補drm1/2中多個MMC形成的表型，說明MMC旁側體細胞L2-f中DRM2與DME的平衡是維持其體細胞命運的關鍵。最後，本研究發現DNA甲基化穩態可能通過限製生殖細胞形成相關的先鋒因子SPL/NZZ的表達位置保證每個胚珠中隻形成一個MMC。綜上，我們的結果揭示了DNA甲基化水平的平衡而不是絕對水平能保證胚珠隻形成一個MMC。
圖注：在胚珠發育早期，胚珠的表皮下細胞的mCHH相對水平沒有明顯差異。隨著胚珠的發育，位於最頂端最中央的亞表皮細胞的mCHH水平開始下降，與周圍體細胞出現明顯差異。當MMC確定後其mCHH水平降低到幾乎檢測不到的水平。此時DNA甲基化失調的突變體中，部分鄰近MMC的體細胞的mCHH水平下降到類似MMC的較低水平，隨後可能發育成額外的MMC。DNA甲基化水平的相對平衡可能通過限製與生殖細胞形成相關的先鋒因子SPL的表達位置保證一個胚珠中隻形成一個MMC。
万博英超狼队网官方网 鄭丙蓮教授課題組博士生蔣婷為本文第一作者，鄭丙蓮教授為通訊作者。北京大學北京國際數學研究中心張磊教授和中國科學院上海植物逆境生物學研究中心Daisuke Miki研究員參與了該研究工作。狗万外围充值 博士後李磊，博士生胡倩倩也參與了該項工作。本研究得到了狗万外围充值 遺傳工程國家重點實驗室、國家自然科學基金傑出青年基金和重點項目的資助。
文章鏈接：https://academic.oup.com/plcell/advance article/doi/10.1093/plcell/koaf023/7997483。