摘要：为了探究植物发育与表观遗传变异之间的相互作用， 对植物中3种表观遗传变异类型 （组蛋白修饰、DNA甲基化和非编码RNA） 的功能、作用机制等进行了研究， 找出其对植物发育过程的影响， 证明了表观遗传变异确实参与了植物发育过程的调控， 并参与塑造环境的表型可塑性。
关键词：表观遗传； 植物发育； 组蛋白修饰； DNA甲基化； 非编码RNA;
Review of Plant Development and Epigenetics
Abstract:In order to explore the interaction between plant development and epigenetic variation, three types of epigenetic variation in plants, including histone modification, DNA methylation and non-coding RNA were studied for their functions and mechanisms.Their effects on plant development were identified, and it was proved that epigenetic variation was involved in the regulation of plant development and in shaping the phenotypic plasticity of the environment.
Keyword:epigenetics; plant development; histone modification; DNA methylation; non-coding RNA;
1、植物发育
植物发育受环境因素和植物激素的共同影响， 是基因型与环境因子相互作用的结果， 包括细胞分裂、扩大导致的体积增加， 以及细胞、组织的分化和成熟。植物发育在不同阶段的基因表达情况不尽相同， 每个阶段只表达一组特定的基因， 同时保持其他基因被抑制。细胞的分化伴有基因的差异表达， 植物发育需要在精准的时间和正确的空间内表达特异的基因来调节， 主要由表观遗传的转录水平或转录后水平介导， 控制着器官的发育， 而一些基因的突变将影响植物某些组织或器官的形成。植物产生新组织的方式也受到内源遗传机制和环境刺激的影响。环境因子如光、温度、湿度等都会影响植物发育。在某个发育阶段之前， 植物可以感知环境变化， 从营养阶段刺激生殖发育， 通过有性生殖或无性繁殖生成新的单株植物或后代[1].
光可通过光形态建成来控制种子萌发、叶片发育和花器官分化等过程。开花和种子发育对植物繁殖至关重要， 开花是植物生命周期中从营养阶段向生殖阶段的转变。在拟南芥中， 不同的途径， 包括春化、光周期、赤霉素和自主通路等， 形成了一种调节网络， 可控制开花时间， 以确保最大繁殖成功率[2].种子发育是开花植物的一个重要特征， 使其在其他陆地植物中占主导地位。在长光照条件下， edm2-2在抽苔之前形成了比Col-0多约10个基叶；而在短日照条件下， edm2-2晚开花的表型稍增强[3].
植物对温度的变化也很敏感。体细胞发育早期发生的瞬间事件可以确定细胞命运的后期变化， 在植物中的一个典型例子是春季的春化反应， 通常采用一段时期的低温春化诱导花器官的发育。在拟南芥中， 春化过程中的低温诱导表观遗传机制抑制flowering locus c （FLC） 基因， 并且保持被抑制的FLC染色质直至过渡至开花阶段[4].瞬时环境信号 （即冷） 导致稳定的变化， 可以触发可能在初始信号之后几个月发生的发育响应 （即开花） .通过表观遗传学变化可以记录这些瞬态发育事件。
2、表观遗传学与植物发育
表观遗传学变化即基因活性的改变， 其可以通过有丝分裂或减数分裂遗传， 并且不涉及DNA序列的改变。虽然这些变化是稳定的， 但它们同时也可以发生逆转， 这在植物中表现明显， 植物生殖细胞在成年发育晚期从体细胞中衍生， 因而许多体细胞的表观遗传变化可能需要在代之间逆转。
表观遗传信息可以通过控制基因的时空表达及其表达方式调控植物的发育过程及各种生理反应。在植物体中， 若干关键的表观遗传调节基因的突变可引起多效性表型， 包括延迟或加速花卉转变、形态变化和异常非生物或生物胁迫应答[5,6], 在维持基因组稳定性、调节植物生长发育等方面发挥着重要作用。
表观遗传修饰能从多个水平上调控基因的表达， 且不同植物不同水平的调控之间相互关联， 构成了一个完整的表观遗传调控网络。表观遗传修饰主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA 3种类型， 以下分别从这3个方面进行叙述。
2.1 DNA甲基化与植物发育
DNA甲基化是以S-腺苷-L-甲硫氨酸为甲基供体， 在DNA甲基转移酶的作用下， 在胞嘧啶上选择性地添加甲基的过程。在植物中， DNA甲基化往往发生在对称序列CG、CHG和非对称序列CHH （H=A、C或T） 中。这3种甲基化通常由各自的DNA甲基转移酶 （DNA methyltransferase） 通过3个不同的调控通路形成。
植物体中， CG甲基化通过DNA半保留复制的机制， 由DNA甲基转移酶MET1 （methyltransferase 1） 维持；CHG的甲基化主要由甲基转移酶CMT3 （chromo-methylase 3） 催化；非对称序列CHH则通过CMT2 （chromo-methylase 2） 和DRM2 （domains rearranged methyltransferase 2） 建立不可维持的全新甲基化 （de novo） .DNA的去甲基化则是一个由DNA去甲基化酶介导的主动去甲基化过程， 涉及到碱基的切除与修复[7].
DNA甲基化广泛存在于植物基因组中， 并影响基因的表达[8,9,10].在拟南芥生态型Col-0的基因组中， 上述3种情况下的甲基化的胞嘧啶水平分别约为24.0%、6.7%和1.7%.其中约20%的基因呈现一定程度的胞嘧啶甲基化， 但超过90%的甲基化发生在重复序列和转座子， 这也是调控基因表达的关键[11].
DNA甲基化是基因沉默的一个主要表观修饰机制[12].通过DNA甲基化水平及存在位置动态调节基因表达， 这对于细胞功能确立和协调植物体发育进程是一种十分有效的手段[13].研究发现， 在拟南芥早期幼苗发育中， 5S rDNA的5mC甲基化会显着增加， 这往往伴随产生不同的异染色质结构[14,15].在很多植物组织中 （包括拟南芥、番茄、烟草） , 高水平的CG甲基化发生在CG富集区域。同样， 植物基因组的低甲基化也会对基因表达产生一定影响。上文提到的FLC为拟南芥中控制开花时间的一个重要基因， FLC的表达会抑制植物开花， 且这种抑制效果具有剂量效应。FLC表达水平受到表观遗传控制， 并且这种控制会受到环境因素的影响。在春化敏感拟南芥生态型中， DNA甲基化的降低会下调FLC的表达， 从而促进开花[16].
研究发现， 延长寒冷处理的时间会导致2个抑制性组蛋白H3K9和H3K27甲基化修饰， 从而抑制FLC基因的表达， 引发FLC的表观沉默[17].植物DNA甲基化的改变往往发生在某些特定情况下， 如环境改变或受到生物、非生物胁迫。Song等[18]发现， C.bungeana可以通过改变DNA甲基化状态而快速应对环境变化， 如在寒冷状态下会诱发， 这也是C.bungeana可以很好适应高海拔地区寒冷胁迫的原因之一。DNA甲基化在拟南芥对病原菌的免疫作用中也起到作用。在暴露于病原菌、植物病毒的情况下， 拟南芥中甲基化水平改变的区域往往与一些基因表达水平变化相关。其中， 一些甲基化改变的转座子区域可以检测到21 nt siRNAs的表达上调， 往往与转座子的转录水平和相关抗病基因有关。
总之， DNA甲基化广泛存在于植物基因组中， 且以不同的甲基化模式特异性地存在于植物特定的发育时期， 对植物发育的各个阶段起着相当重要的作用。有一个稳定的甲基化模式， 是植物基因组稳定的重要因素。
2.2 非编码RNA与植物发育
非编码RNA （non-coding RNA, ncRNAs） , 即这类RNA不翻译为多肽， 在RNA水平上行使各自生物学功能[19].非编码RNA按照其长度不同， 一般分为小于200 nt的小非编码RNA和大于200 nt的长非编码RNA.在植物体中， 小RNA根据其起源、结构特征及功能可分为2类：20~24 nt的微RNA （microRNAs, miRNA） 和小干涉RNA （short interfering RNA, siRNA） [20].
miRNA一般由POLⅡ （RNA polymerase II） 转录， 在Ⅲ型RNA酶DCL1的作用下， 与多种蛋白构成RISC （转录沉默复合体） .主要通过与靶基因转录的mRNA的3′-UTR区碱基互补， RISC剪切靶基因的转录产物或抑制转录产物的翻译， 从而在转录后水平实现对基因表达的抑制， 从而影响了植物发育进程、器官分化和代谢等众多生理生化过程， 尤其在植物生长发育中对病原菌等免疫方面发挥重要作用[21].Wang等[22]发现， 水稻内源miRNA在疾病防御中具有重要意义， 在Magnaporthe oryzae菌株Guy11感染后， osamiRNAs在感染早期和晚期表达量都减少， 这正好与其靶定抗病相关基因OsNAC60的高表达相关。
miRNA和siRNA都会经过RNA 2′-O-甲基转移酶HEN1来进行3′末端的修饰以保持其稳定存在发挥作用， 不同的是绝大多数siRNA产生后会通过RNA依赖的RNA聚合酶 （RDR） 来复制扩大， 而miRNA则没有这种现象[23].23~25 nt的short interfering RNA （siRNA即小干涉RNA） 通过RNA介导的DNA甲基化 （RNA directed DNA Methylation, RdDM） 途径， 在植物表观修饰的建立中起着十分重要的作用， 即靶定基因组DNA序列来协助实现DNA中胞嘧啶的甲基化和组蛋白修饰[24].植物内源siRNAs可分为4类：heterochromatic siRNA （hc-siRNA） 、trans-acting siRNA （ta-siR-NA） 、natural antisense transcript-derived siRNA （nat-siRNA） 和phased-siRNA[25].其中， 24 nt的hc-siRNA和支架RNA可以通过RdDM通路来建立全新的DNA甲基化， 从而实现对基因表达的调控[26].
目前研究认为， 通过pol IV转录生成的hc-siRNA与Argonaute蛋白形成复合体， 通过siRNA与支架RNA的互补配对实现对特定序列的识别， 并招募效应蛋白 （如DRM2） 来进行DNA甲基化[27].除此之外， 在水稻和苔藓中， 一些保守经典MIR基因具有双功能， 除编码由DCL1加工后产生的miRNA外， 还会同时产生23~27 nt的siRNA, 并且最终会结合AGO4指导某些位点的DNA甲基化的建立， 对植物的发育生长产生影响[28].
有研究表明， 在植物雌性繁殖过程中， 由RdDM介导建立的DNA甲基化对于植物正确的繁殖、发育过程起到了至关重要的作用， 并且可能在体细胞和生殖细胞的分化中起调节作用。在拟南芥和玉米中， 小RNA指导的DNA甲基化在植物早期繁殖中起到了重要作用， 包括在雌性种系中， 以及在抑制雌性分生孢子的有丝分裂[29]的过程。对于突变体的分析揭示了在拟南芥胚珠发育过程中， 体细胞向生殖细胞的转变受到了小RNA沉默通路的影响， 其中RNA结合蛋白Argonaute 9 （AGO9） 起到了重要作用[30,31].类似的突变体dmt102和dmt103中也发现了类似现象， 说明RdDM在生殖细胞的形成中是至关重要的。
研究表明， 染色质特定位置上胞嘧啶的甲基化一部分依赖于RNA介导DNA甲基化途径 （RdDM） [32], lncRNA （long noncoding RNA） 是一个强大的顺式调控因子和反式调控因子， 可以显着调控基因的活性， 还是作为染色质修饰复合体的成员， 并且可以介导和增强染色质间长距离互作[33].如拟南芥开花基因FLC, 其表达的抑制有赖于2种组蛋白的甲基化， 但寒冷处理之后FLC抑制的维持， 就需要lncR-NA---COLDAIR与关键蛋白PRC2的共同作用。同时lncRNA的颈环结构有助于其与蛋白的共同作用[34,35].
总之， 非编码RNA与DNA甲基化有着十分密切的关系， 两者共同通过对基因表达的调控实现对植物发育各个阶段的调控。
2.3 组蛋白修饰与植物发育
在真核生物中， 基因组DNA被紧密地压缩成一个复杂结构---染色质。染色质的基本结构单位是核小体。核小体由组蛋白八聚体和缠绕在八聚体上的146bp的DNA构成。组蛋白共有H1、H2A、H2B、H3和H4 5种类型， 其中H2A、H2B、H3和H4为核心组蛋白， 4种组蛋白各两分子聚合组成了组蛋白八聚体[36].X射线结晶学研究表明， 组蛋白的球状结构域对维持核小体核心颗粒的结构完整性有至关重要的作用[37].
相邻的核小体之间通过DNA和组蛋白H1连接， 氨基末端尾部从核小体中伸出， 负责与DNA的相互作用， 从而促进通过翻译后修饰的染色质组装过程， 即组蛋白的共价修饰， 例如乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP核糖基化、羰基化、SUMO化和生物素化等[38,39,40,41].这些组蛋白修饰发生在基因的不同区域， 有些能激活转录 （如乙酰化、磷酸化） , 有些能抑制转录 （如去乙酰化） , 共同调控基因的时空特异性表达， 参与调控植物的发育、生理活动及逆境的响应等过程， 如种子的萌发、开花以及对环境的应答等。
组蛋白乙酰化通常在活跃转录区域中检测到， 因为乙酰基的负电荷中和了组蛋白的正电荷， 使染色质可以被转录机器使用[42].组蛋白乙酰化和去乙酰化由组蛋白乙酰转移酶 （HATs） 和组蛋白去乙酰化酶 （HDs, HDAs or HDACs） 分别催化[43,44].
组蛋白甲基化主要发生在H3和H4上， 且在N末端尾的赖氨酸和精氨酸残基上。H3上主要修饰位点为第4、9、27、36位赖氨酸和第17位精氨酸残基上；H4上主要为第20位赖氨酸和第3位精氨酸残基上。组蛋白赖氨酸可以是单甲基化、二甲基化和三甲基化[45].组蛋白精氨酸可以是单甲基化和二甲基化的， 其中2个甲基可以添加到1个 （不对称） 或2个 （对称） 氨基的精氨酸上[46].每个不同的甲基状态在染色质上分布的区域不同， 对基因表达的调控作用也不同。例如， H3-K9 （H3K9me2） 的二甲基化和H3-K27 （H3K27me3） 的三甲基化主要位于异染色质区， 与基因活性负相关， 而H3K4 （H3K4me3） 和H3K36 （H3K36me3） 区域的二甲基化和三甲基化主要分布在常染色质区， 与基因表达相关， 促进基因转录[47].相关研究发现， 植物中存在组蛋白精氨酸对称性双甲基化， 这个过程是精氨酸甲基转移酶 （SKB1） 催化的， 对植物开花具有调控作用。不同位点的甲基化由不同的特异性组蛋白赖氨酸甲基转移酶 （histone lysine methyltransferases, HKMTs） 催化完成， 具有代表性的有H3-K4甲基转移酶和5个H3-K9甲基转移酶 （Suv39h1、Suv39h2、G9a、ESET/SETDB1和Eu-HMTase1） .H3K9me2由Su （var） 3-9家族蛋白催化， 这种蛋白最初在果蝇中鉴定出来， 并且在许多生物体中结构都很保守[48], 其中KRYPTONITE SUVH4 （KYP） 是主要的H3-K9甲基转移酶[49,50,51].
Yang等[17]通过精细化的时间和空间分辨来细化分析在春化冷诱导过程中， 拟南芥中FLC的缓慢量化的表观沉默过程， 观察到组蛋白的2种修饰---H3K36me3和H3K27me3在FLC成核区域和基因组中经常存在竞争关系， 即这2种修饰很少共存于同一组蛋白的尾部， 而且这种拮抗作用对调节FLC的表达至关重要。
组蛋白甲基化通常影响DNA甲基化。在拟南芥中， KRYPTONITE （H3-K9特异性甲基转移酶） 影响CpNpG位点的胞嘧啶甲基化， 并有助于沉默内源性反转录转座子[49].组蛋白的甲基化和去甲基化也是由相应的甲基化酶和去甲基化酶催化的。
植物组蛋白修饰的主要研究方法是染色体免疫共沉淀法 （chromatin immunoprecipitation, ChIP） , 这是目前确定与特定蛋白结合的基因组区域或确定与特定基因组区域结合的蛋白质的一种很好的方法[52].
3、结语
表观遗传学研究已经成为生命科学研究关注的前沿， 取得了很大的进展。而DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA作为重要的植物表观遗传修饰方式， 共同参与植物基因的表达调控， 调节着植物的生长发育。因此， 随着功能基因组研究的深入， 进一步探讨新的适合植物组蛋白、DNA甲基化及小RNA的研究方法， 并深入研究三者调节植物基因表达的详细机制， 以及三者与植物体内其他代谢之间的关系显得尤为重要， 并有助于加深对植物表观遗传现象的认识， 合理地结合利用到生活、生产、农业当中， 为人们创造利益和价值， 在生命科学领域发挥巨大作用。
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