DNA甲基化：植物发育、响应环境和进化中的表观遗传标记

表观遗传学标记包括DNA的化学修饰（即甲基化）、组蛋白翻译后修饰（如乙酰化、甲基化、泛素化和磷酸化）、非编码RNA和染色质重塑因子（控制核小体位置、组装与拆卸）。它们可以改变基因组区域的可及性并调节基因表达，从而导致表型可塑性。其中，DNA甲基化是研究最多的表观遗传学机制之一。

DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式，能够在不改变DNA序列的情况下，调控基因的表达和染色质的结构，进而改变遗传表型。DNA的甲基化通常由甲基转移酶介导，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5号碳位共价键结合一个甲基基团，去甲基化则由去甲基化酶调控。植物基因组被广泛甲基化，甲基化的精细调控在植物发育和进化中发挥着关键作用。

今天给大家分享一篇2022年的综述文章《Plant DNA Methylation: An Epigenetic Mark in Development, Environmental Interactions, and Evolution》。这篇综述阐述了植物中DNA甲基化的分子和细胞功能，以及在模式植物、农作物和观赏植物（如兰花）的生理调控机制。此外，它还描述了植物DNA甲基化水平的变化与对生物和非生物胁迫的反应之间的关系。我们希望通过本综述拓展大家在植物DNA甲基化研究的思路和方向。

植物DNA甲基化发生在所有胞嘧啶序列中：CG，CHG和CHH（H代表A，T或C）；通过DNA甲基转移酶家族进行发生、维持和去除（图1）。

拟南芥是模式植物，在DNA复制过程中，CG DNA甲基化由甲基转移酶1 (MET1)维持，而染色质甲基化酶2和3 (CMT2和CMT3)通常会甲基化CHG和CHH。其中，CMT2主要在CHH中起作用，而CMT3主要在CHG中起作用。相比之下，DRM2参与维持现有的甲基化，它也负责从头DNA甲基化。DRM2通过一种被称为RNA定向DNA甲基化(RdDM)的植物特异性途径被小RNA分子引导到目标序列。

在拟南芥中，RdDM以两种不同的方式发生:典型和非典型。

（1）典型途径主要参与维持异染色质区域的甲基化。在典型RdDM中，RNA聚合酶IV (Pol IV)与染色质重塑子CLSY1及其相互作用子SHH1相互作用。该复合体与异染色质结合，RNA Pol IV转录短单链RNA (ssRNAs)，长度约为30-45个核苷酸。RNA定向RNA聚合酶RDR2和RNA Pol IV将这些ssRNAs转化为双链RNA (dsRNAs)。然后，核糖核酸内切酶DCL3将dsRNAs切割成24个核苷酸的sRNAs。AGO4, AGO6将单链sRNAs传递给植物特异性RNA聚合酶V转录的互补RNA，招募甲基化邻近DNA的甲基化转移酶DRM2。

（2）非典型途径的频率较低，包括规范途径的许多变体，通常导致从头DNA甲基化。在非经典途径中，sRNA的生物发生不仅是由Pol IV-RDR2-DCL3介导的，而且它们还可以由许多其他机制产生，如RNA聚合酶II转录。

甲基化水平受到精细控制，DNA甲基化/去甲基化的动态是一个严格协调的过程。在植物中，去甲基化可能是DNA复制过程中甲基化信号丢失的被动机制，也可能是由特定酶通过DNA碱基切除修复（BER）介导的主动机制。特定的植物DNA糖基化酶在任何序列中都能识别甲基化胞嘧啶，并破坏与脱氧核糖的结合，产生一个将被DNA聚合酶和连接酶修复的碱基位点。

在拟南芥中发现的四种DNA去甲基化酶分别是沉默抑制酶1 (ROS1)、DME和DML2, DML3 (图1)。在哺乳动物中，10 - 11易位甲基胞嘧啶双加氧酶(TET)在去甲基化中起重要作用，催化甲基化胞嘧啶的氧化。然而，植物的TET-like酶尚未被表征，即使活性去甲基化过程中氧化产物的存在表明TET-like蛋白可能参与了这一过程。此外，人TET蛋白在拟南芥中的过表达诱导了显著的基因组去甲基化，进一步支持了TET-like蛋白在植物中的存在。

除了通常与转录抑制相关的胞嘧啶甲基化外，植物基因组还可以在N6 -腺嘌呤上动态甲基化。6-甲基腺苷(6mA)与表达的基因有关，似乎对环境刺激非常敏感。

2.1. 基因表达

(A)启动子DNA甲基化(红圈)抑制转录活性和基因表达;(B)编码区甲基化产生不可接近的染色质结构，抑制异常转录起始位点;(C) DNA甲基化通过沉默转座子和其他DNA重复序列影响基因组的稳定性;(D)染色体相互作用通过中心周围区域或异染色质岛依赖于这些区域的甲基化;(E) DNA甲基化可能参与环状RNA的生物发生;(F) mRNA甲基化控制转录本本身的稳定性、剪接和加工。TSS，转录起始位点;CTSS，隐转录起始位点;AT，异常转录;TE，转座元素。

通常，由于启动子区甲基化，转录激活子的结合被阻止，转录抑制子的结合得到改善，从而导致转录失活或减少。此外，基因表达调控是不同表观遗传机制相互影响的结果，如DNA甲基化和组蛋白修饰。组蛋白的N端尾部可以在特定酶的作用下进行多次修饰。其中一些修饰，如H3K4me1，使染色质松弛，从而促进转录。

具有低甲基化水平的区域还存在其他促进转录的修饰，例如组蛋白乙酰化。然而，在某些情况下，低甲基化和转录活跃的区域可以显示组蛋白低乙酰化，这表明有时DNA甲基化的缺失是一种单独促进转录激活的机制。不太常见的是，DNA甲基化也可以激活基因转录，即使所涉及的分子机制尚不清楚。

除了启动子，甲基化也可以发生在全长编码区，通常在中央外显子而不是转录起始和终止区域。与抑制或减少下游基因转录的启动子甲基化不同，编码区的甲基化抑制转录物延长。通过这种方式，转录从转录起始位点发生到甲基化位点，产生一个更小的，可能是无活性的转录物。

基因内甲基化起着相关的调控和生物学作用，阻止了隐转录起始位点的激活。在植物分生组织细胞中，异常转录产生双链RNA，通过RdDM触发反馈甲基化机制，并抑制它们起源的隐性启动子。这些隐转录起始位点的甲基化在分化组织中得以维持，染色质保留了其不可接近的结构，并且异常转录被抑制 (图2B)。

2.2. 转座子的流动性

DNA甲基化通过调节转座子的迁移参与维持植物基因组的稳定性。转座因子的甲基化发生在所有序列背景和所有植物物种的基因组中，从苔藓到被子植物(图3)。RdDM途径维持短转座子和大转座子末端的CHH序列甲基化，而CMT2则使大转座子的内部区域甲基化。

图3：植物进化过程中的DNA甲基化。

彩色圆圈的直径代表所选物种的基因组大小;深色切片表示重复序列的百分比，灰色的强度表示全球DNA甲基化的水平。在植物进化过程中，DNA甲基化承担了由彩色矩形表示的新角色。TE沉默构成了甲基化最保守的功能。最近，新的调控途径出现了。

转座子在基因组中的活性可以破坏基因或调控区域的结构。因此，甲基化通过降低可移动元件的转位率作为一种细胞防御机制 (图2C)。转座子沉默也会导致甲基化扩散到侧翼区域，从而产生差异甲基化区域。在植物基因组中，如玉米(Zea mays)，由RdDM机制维持的高甲基化CHH岛是分离转录活性区和非活性转座子的基础。这样，沉默的转座因子不太可能被附近活跃的常染色质的位置效应最终激活。

虽然它在基因组稳定性方面的关键功能,但有时单独的DNA甲基化还不足以确保转座因子的沉默。如上所述,额外的标记,如组蛋白修饰,是规范转座子跳跃的必要条件。例如，在拟南中,H3K9m2水平和配色染色体臂存在的转座子之间存在相关性,表明这种修饰在转座子的沉默中起着作用。

2.3. 染色体相互作用

DNA甲基化还可以调控染色体的相互作用。近中心点区域的高甲基化和常染色染色体臂上的一些相互作用异染色质岛(IHI)产生了一个相互作用网络(图2D)。在拟南芥中，这种核复合体被称为KNOT，存在于所有五条染色体中。KNOT复合体在维持基因组完整性方面具有相关作用，而基因组完整性受到转座子跳跃的威胁。对拟南芥的基因组分析已经证明了DNA甲基化对染色体相互作用的影响，表明高甲基化水平的基因组区域比低甲基化区域更少参与远端染色质接触。

DNA甲基化控制染色体相互作用是影响基因表达的重要机制。启动子除了控制一些离转录起始位点(TSS)非常远的调控区域外，还控制基因表达。尽管植物基因组中的远端增强子仍然未知，但不能排除这种类型的调控。一些推测模型描述了甲基化水平对染色质景观的控制如何影响远程染色体相互作用和基因表达。特别是，抑制染色体之间三维空间相互作用的形成可以阻止通过远端调控元件(如增强子)对基因表达的调控。这些模型表明，RdDM可以阻止结构蛋白的结合，阻断染色体相互作用的形成。

3.1. 基因组印记

DNA甲基化在植物生命周期的第一步受精中起着至关重要的作用。在这一阶段，基因组印迹可以通过依赖于亲本来源的两个等位基因的差异甲基化发生在特定的位点上。基因组印记是一种主要涉及胚胎生长的调控现象。在植物中发现亲本对种子大小的不同贡献。此外FWA突变体中FWA的异位表达和印迹的改变是导致植物开花晚的原因。

在拟南芥、水稻和玉米的中心细胞和营养细胞中，二甲醚还能使移动元件去甲基化。这激活了传递到卵子和精子细胞的小RNA分子的转录，加强了配子中的转座子沉默。

3.2. 花色素沉着、花香与光合作用

DNA甲基化可以影响兰花的花色素沉着。如兰花品种的不同颜色图案取决于类胡萝卜素相关基因在甲基化水平下的差异表达。DNA甲基化在许多其他观赏植物的花色形成中起着积极的作用。在海棠(Malus halliana)中，花瓣颜色在发育过程中从红色变为淡粉色，这种变化与许多基因的下调有关。关键原因是，花青素生物合成途径基因MhMYB10的启动子高度甲基化，导致MhMYB10基因表达减少，花青素积累减少。

基因启动子甲基化是植物发育和生长过程中基因表达变异的主要原因。在属于同一网络的基因中，这些标记的改变表明DNA甲基化参与了特定的调控途径。例如，在梅子中，许多属于8种花香生物合成途径的基因在花的发育过程中表现出不同的甲基化水平。这些基因编码的酶是花香产生的关键调节因子。

DNA甲基化的动态可以在空间和时间上发生变化，例如，在不同的组织或发育阶段之间。在菠萝中，白色的叶基部是非光合组织。研究发现甲基化基因组序列的数量与由绿叶尖端组成的光合组织相比，在昼夜时间过程中明显减少。不同时间甲基化数据显示，清晨绿色和白色叶片组织的DNA甲基化水平较低，然后在下午(从下午4点开始)增加。值得注意的是，绿色和白色叶片组织在死亡期间甲基化的差异是CAM途径基因的特征。因此，DNA甲基化会影响菠萝的CAM光合作用。

4. 甲基化、环境和进化

植物可以通过改变其表观遗传景观来响应环境刺激。不同植物物种的甲基化组学分析证明，生物或非生物胁迫可影响DNA甲基化，改变胁迫应答基因的表达和调控。

4.1. 非生物和生物刺激

低温和干旱胁迫可影响铁皮石斛甲基化酶DoC5-MTase和去甲基化酶DodMTase基因的表达。这些基因的启动子包含激素、光和应激反应的顺式作用元件，证实了甲基化酶/去甲基化酶的表达与环境条件之间的关系。

在茶树中，C5-MTase和DNA去甲基化酶(dMTase)基因的表达依赖于环境刺激。与石斛一样，CsC5-MTase和CsdMTase的启动子具有多个对光、植物激素和胁迫响应的顺式作用元件，这表明环境刺激与DNA甲基化之间的关系在植物中是保守的，DNA甲基化/去甲基化活性可以快速有效地响应环境变化。

非生物应激是促进DNA甲基化调节的关键因素。在许多植物中，寒冷是一种控制甲基组灵活性的应激因素。在影响开花的两种不同温度(10°C和16°C)下生长的拟南芥在CHH环境下甲基化有显著差异。相反，在CG和CHG环境中没有明显的变化。根据与CHH甲基化的关联，拟南芥在两种不同温度下的差异甲基化区(DMR)位于转座元件中。活性去甲基化是由于低温导致的，尤其是在根组织中，低温会导致Tam3转座子的激活。

除了温度之外，其他非生物因素也会影响DNA甲基化。例如，盐胁迫诱导油菜和水稻的去甲基化。在盐胁迫下，2个不同品种的甘蓝型油菜DNA甲基化水平不同，导致LCR和海藻糖磷酸酶/合成酶4 (TPS4)两个胁迫相关基因的表达发生变化。盐胁迫和干旱胁迫也会影响玉米，改变细胞周期和染色质重塑。特别是，由于暴露于这种非生物应激，DNA甲基化水平降低，组蛋白修饰发生不同变化。

砷毒性是影响DNA甲基化的另一种非生物胁迫，如蕨类植物蕨类植物，砷胁迫降低了老叶子的DNA甲基化。砷暴露导致的甲基化景观变化改变了这种蕨类植物的几个生理参数，减少了根和叶之间的代谢物和水分运输。重金属胁迫还诱导了绿藻特异性DNA甲基化变化。两种不同铬敏感性的尖锐葡萄球菌(S. acutus)菌株的甲基化模式非常不同，这表明DNA甲基化参与了藻类对铬的耐受。非生物胁迫对甲基化影响的另一个有趣的例子是，在切尔诺贝利地区诱变电离辐射下，松林基因组中的有效超甲基化作为一种保护机制和适应策略。

除非生物因素外，微生物或病原体的定植等生物刺激也会影响DNA甲基化水平。例如，线虫囊肿感染会刺激大豆和拟南芥根部的低甲基化。许多研究结果表明，拟南芥的DME突变体对致病菌和真菌感染的易感性增加，这表明DNA甲基化的调节与针对不同外源生物的防御机制有关。

4.2. 环境适应和进化

当环境刺激影响种系DNA甲基化的重编程时，这些修饰可以传递给下一代。动物的生殖系是在发育早期确定的，而植物的生殖系是在环境信号和细胞环境的影响下较晚建立的。

植物体细胞和种系组织之间缺乏早期分离，这使得表观遗传修饰的转基因传递更加可能和直接。植物中的转基因表观遗传通常由环境刺激诱导的表观突变决定，这些表观突变可以跨代遗传。一些植物，如拟南芥，在干旱胁迫下获得特定的甲基化特征。这种甲基化模式可以传递给下一代的胁迫和非胁迫植物。然而，灌溉期延长会导致表等位基因和相关表型的丧失。这表明表突变的稳定性较低，在缺乏环境刺激的情况下，表突变往往会随着时间的推移而消失。

尽管它们不稳定，但DNA甲基化的变化和随之而来的基因表达修饰可以诱导表型变化，这在进化上是有利的。自然选择可以作用于这些表位突变，传播或固定可能成为适应性的表位等位基因。根据这一观点，外部环境可能有助于植物进化。

不同的甲基化模式也可能发生在同一物种的生态型中，由于不同的环境条件而表现出表型差异。例如，热带和温带莲花分别适应低纬度和高纬度，并呈现不同的甲基化特征。与热带莲相比，温带莲的根茎甲基化程度较高，导致许多与根组织分化有关的基因的差异表达，如淀粉生物合成、赤霉素和油菜素甾体信号基因。由于这种不同的甲基化景观和不同的基因表达，两种生态型之间的根茎形态表现出明显的差异，更好地适应不同的生态条件：与温带生态型相比，热带生态型的根茎较薄，其特征是根系膨胀。

因此，表突变可以被认为是植物的一种重要进化力量，通过甲基化变化获得的突变表型很快就会受到自然选择的影响。此外，甲基化DNA区域具有高突变率，它们可能代表着朝着更稳定的序列突变迈出的第一步。

表突变的部分可逆性产生了比DNA序列变化更动态的表型效应。影响植物形态的基因沉默的一个众所周知的例子是普通蟾蜍亚麻（Linaria vulgaris）中CYCLOIDEA基因（CYC）的甲基化。通过超甲基化的基因敲除可以作为基因功能完全丧失之前的第一步适应，保证了实现其他基因共同适应过程的可能性，可以通过产生功能平衡来补偿基因损失。

甲基化水平因植物物种而异，也取决于重复和可移动DNA的基因组含量，后者具有较高的甲基化水平。因此，DNA甲基化是一种与植物基因组大小和复杂性有关的进化特征。然而，全局胞嘧啶甲基化与基因组大小之间的关系不是线性的，比简单的因果关系更复杂。

DNA甲基化在植物进化过程中获得了许多功能（图3）。转座元件甲基化在所有植物物种中普遍存在，这证明了其非常古老的作用。基因表达的调节是DNA甲基化的另一个中心功能。这种调控过程存在于所有陆地植物中，以及编码区的甲基化。在被子植物中，甲基化的作用得到了扩展。PolV对RdDM途径的干预可能在全基因组复制后降低基因组大小和增强二倍体方面发挥作用。同样，CMT3维持非CG序列的甲基化是被子植物特异性的另一种调控机制。最后，基因组印记代表了开花植物的一个基本进化新颖性。

DNA甲基化在植物发育和进化中起着核心作用。在植物生命周期中，基因表达、转座子迁移和染色体相互作用取决于DNA甲基化和去甲基化之间的平衡。此外，环境刺激可以影响甲基化景观，导致性状的特定适应和进化。然而，充分了解DNA甲基化的所有功能和机制及其对植物物种进化的影响仍然是一个令人着迷的挑战。

本文介绍了植物中DNA甲基化的分子和细胞功能，并且从不同的方向引用例子来说明DNA甲基化在植物表型（花青素沉着等）、非生物胁迫（温度、干旱、盐、重金属等），生物胁迫（病原、微生物与植物互作等）以及环境进化的不同作用，为我们快速了解DNA甲基化以及不同研究方向的老师快速定位DNA甲基化与相关课题的结合点提供思路。

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