南京农业大学农学院杨东雷课题组阐明DNA从头甲基化对于水稻生殖发育调控的机制

　　11月16日，Plant Physiology杂志在线发表了南京农业大学农学院杨东雷课题组题为“Reinforcement of CHH methylation through RNA-directed DNA methylation ensures sexual reproduction in rice”的研究论文。转基因育种作为一种现代生物技术，可以快速培育作物新品种。外源基因的转入往往出现基因沉默现象，这阻碍了转基因技术的安全利用。为了阐明水稻转基因沉默的分子机制，加快转基因育种的推广，杨东雷课题组利用EMS（ethyl methyl sulfonate）对35S::OsGA2ox1转基因沉默材料进行诱变，构建了突变体库，并从中筛选出上百个突变体。

 

　　《西游记》中的孙悟空本领高强、神通广大，大闹天宫时被玉皇大帝请来的如来佛祖镇压。如来将孙悟空囚禁在五行山下，五百年后唐僧路过才将孙悟空救出。35S::OsGA2ox1转基因可能插入到基因组的任何位置，类似于孙悟空无法无天；而基因沉默像是五行山，镇压转基因与转座子，因此筛选出的突变体被命名为fem（five elements mountain）。

 

　　本次发表的工作是转基因沉默抑制子FEM1，通过图位克隆与遗传互补发现FEM1编码RNA依赖的RNA聚合酶2（OsRDR2）。拟南芥的rdr2突变体不影响育性，然而水稻的fem1突变体几乎不结实。fem1与野生型正反交均不结实，表明fem1的雌雄配子都不育。通过表型分析发现fem1从花药分化、雄性生殖细胞减数分裂到花粉壁的填充等过程中都出现了异常。此外，fem1的胚囊结构也存在很大比例的异常。这些结果表明FEM1对于水稻生殖发育具有不可或缺的调控作用。

 

　　全基因组甲基化测序分析发现，花序中的CHH类型的DNA甲基化水平明显高于幼苗。进一步分析发现雄蕊与雌蕊中的CHH甲基化也同样高于幼苗，而在fem1的花序、雄蕊与雌蕊中，CHH甲基化水平不再上升。大部分RdDM途径的编码基因在生殖器官中上调表达，FEM1/OsRDR2在花序、雄蕊和雌蕊等生殖器官中的蛋白水平较叶片、叶鞘和幼苗等营养组织升高。FEM1突变后生殖发育调控基因附件的CHH甲基化水平下降，影响了它们的转录表达，从而导致不育。

 

　　Figure 2. Increase of DNA methylation regulates gene expression in stamens

 

　　综上，RdDM功能在生殖器官中上调造成全基因组CHH甲基化水平的上升，从而精细调控生殖发育基因的转录表达，进而保证水稻生殖发育的正常进行。

 

　　杨东雷为该论文的通讯作者，博士研究生王莉莉为第一作者，已毕业博士郑克志、宜春学院曾龙军老师、博士研究生徐大超以及已毕业硕士朱天心和殷雨萌共同参与了该工作，吴玉峰教授和占华东博士也提供了重要的帮助。该研究得到了国家自然基金面上项目、江苏省杰出青年基金、转基因专项和江苏省现代作物生产协同创新中心等经费的资助。