Nat Rev Genet (IF52) 重磅综述深度解读：植物的表观基因组重塑之力——从细胞内部到跨物种交流

近日，西澳大利亚大学Ryan Lister与James P. B. Lloyd团队在遗传学顶级综述期刊《Nature Reviews Genetics》（IF52/Q1）上发表了题为“Epigenome plasticity in plants”的重要综述。该文系统揭示了植物表观基因组的动态调控特性，指出植物能够在不改变DNA序列的前提下，通过表观遗传机制响应内外信号，并将这种“分子记忆”稳定遗传。这种可塑性不仅是植物生长发育的调控枢纽，更是其应对复杂环境变化的核心适应性策略。

文章聚焦DNA甲基化、组蛋白修饰等关键表观遗传标记，阐释了它们如何像“分子开关”一样精准调控基因表达，影响植物从萌芽到成熟的各个阶段。更重要的是，它打破了传统遗传学的序列中心论，凸显了表观信息层在生命过程中的独立调控地位。

对生物学研究整体而言，这篇综述具有前瞻性与引领性：它既为植物抗逆育种、生态适应研究开辟了新思路，也为动物、微生物乃至医学领域中环境与基因互作机制的研究提供了跨学科借鉴。表观基因组的“可重塑”特性，或将重新定义我们对生物演化与环境适应的认知框架，开启后基因组时代生命调控研究的新窗口。

DOI：10.1038/s41576-021-00407-y

植物内部的表观基因组变化

（1）细胞和组织间的表观基因组差异

多项研究揭示了植物不同细胞类型和组织间的表观基因组（DNA甲基化）差异：大豆不同组织的DNA甲基化图谱显示存在组织特异性DNA甲基化模式，部分与组织特异性差异基因表达相关；拟南芥和水稻茎尖分生组织在从营养生长向生殖生长转变后，非CG甲基化(CHG在拟南芥中，CHH在水稻中)增加，可能反映了在产生生殖系前加强转座子沉默变化；拟南芥根不同类型细胞的甲基组比较显示，大多数根细胞类型的甲基组大体相似，但根冠细胞的甲基组与其他根细胞类型显著不同，表现出全基因组范围的mCHH甲基化(主要在转座子中)，表明该细胞类型中RNA指导的DNA甲基化(RdDM)上调。

CLSY1-4(Classy 1-4)蛋白作为染色质重塑因子，通过帮助RNA聚合酶IV(Pol IV)和小RNA产生来调控特定位点的RdDM活性。拟南芥CLSY基因表现出一定程度的组织特异性表达，在叶片、莲座、花和胚珠中发现了CHH背景下DNA甲基化的显著差异。在clsy突变体中观察到组织特异性DNA甲基化变化，表明CLSY蛋白在决定RdDM沉积的DNA甲基化的组织特异性谱中起主要作用。

图1展示了DNA甲基化在植物中的三种序列背景（CG、CHG和CHH），并解释了这些不同背景下的DNA甲基化如何影响基因表达。基因体DNA甲基化（gene-body methylation，简称gbM）通常与基因转录区域内的CG甲基化相关，而转录起始位点（Transcriptional Start Site，简称TSS）附近的甲基化则可能导致基因表达抑制。

图1：植物DNA甲基化图谱 a.      DNA甲基化存在于植物的对称序列（CG和CHG）和非对称序列（CHH）中。在开花植物中，DNA甲基化基因可分为四类： 基因体甲基化（gbM）：转录区内富含mCG，但转录起始位点（TSS）区域缺失甲基化； TSS甲基化：TSS周围存在mCG，导致基因表达抑制； CHG甲基化基因：富含mCHG，mCHH缺失，可能含mCG，通常被抑制； CHH甲基化基因：富含mCHH，可能含CG和CHG甲基化，通常沉默，其状态类似转座子相关的DNA甲基化（通常同时存在mCG、mCHG和mCHH）。 b.     三种序列的DNA甲基化建立可通过RNA介导的DNA甲基化（RdDM）实现，通过产生小RNA靶向特定位点进行甲基化。简要过程：RNA聚合酶IV（Pol IV）和RDR2在CLSY1等蛋白引导下生成双链RNA；DCL2-4将其切割为小干扰RNA（siRNA）；siRNA引导AGO4/6结合Pol V产生的染色质结合转录本，招募DNA甲基转移酶DRM2（动物DNMT3同源蛋白，其甲基转移酶结构域基序发生重排）。 c.      甲基化维持机制： mCG：通过甲基转移酶MET1（动物DNMT1的植物同源蛋白）在DNA复制后甲基化半甲基化DNA，部分位点需MET1维持CG和非CG甲基化遗传； mCHG：开花植物中由CMT3结合H3K9me2组蛋白并甲基化CHG位点。组蛋白甲基转移酶KYP（SUVH4）、SUVH5和SUV6结合mCHG/mCHH并催化H3K9甲基化，形成正反馈loop维持mCHG； mCHH：通常依赖RdDM持续重建，开花植物中许多mCHH位点由CMT2通过正反馈loop维持。

（2）驱动发育的DNA甲基化组差异

在拟南芥雄性生殖细胞中，通过RdDM通路，多个区域在CHH背景下发生甲基化，这些区域与生殖细胞特异性基因表达相关。有四个区域与在RdDM突变体的减数分裂细胞中表达增加的基因重叠(但在叶片中不增加)。其中一个区域是位于减数分裂因子多极纺锤体1(MPS1)最后一个内含子内的pre-tRNA基因，甲基化缺失导致内含子保留增加。将不含最后内含子的MPS1转化到RdDM突变体中可减少减数分裂缺陷，表明MPS1的错误剪接是造成这些缺陷的原因。

番茄果实成熟过程中，通过去甲基化酶DML2(Demeter-like protein 2)的活性在数万个基因组位点发生DNA去甲基化。有趣的是，只有约一半对DML2介导的主动DNA去甲基化响应基因在去甲基化时表达增加，表明启动子甲基化具有抑制作用的简单模型并不适用于所有基因组位点。

图2a展示了拟南芥中DNA甲基化模式的维持对于正常生长和发育的重要性，特别是对于开花时间等性状的调控。这些研究结果表明，DNA甲基化变化不仅与发育相关，而且在某些情况下是发育所必需的。

图2：DNA甲基化在植物发育中的作用 a.      正常DNA甲基化模式的维持是植物正常生长发育所必需的。拟南芥中DNA去甲基化酶ROS1（沉默抑制因子1）的失活突变会导致气孔过度生成及表皮模式因子2（EPF2）表达抑制。ROS1通常通过阻止RdDM在转座子附近扩散甲基化，从而维持EPF2表达。拟南芥H3K9me2去甲基化酶IBM2和EDM2突变会导致ERECTA基因沉默和气孔过量产生。H3K9me2积累引发基因体内CHG位点甲基化，进而抑制ERECTA表达。EPF2和ERECTA在发育过程中不受DNA甲基化直接调控，但当表观基因组保护机制缺失时，两者会通过不同的DNA甲基化通路被沉默。 b.     拟南芥雄性生殖细胞发育过程中，位于MPS1基因第9内含子内的pre-tRNA基因通过RdDM发生甲基化。野生型植株中所有MPS1转录本均能正常剪切除去第9内含子，而RdDM缺失突变体中该位点甲基化丢失，导致内含子滞留。 c.      番茄果实发育中DNA甲基化动态调控。番茄中许多基因通过DML2介导的主动去甲基化激活成熟过程，包括无色不成熟（CNR）位点。CNR位点也是自然存在的稳定表观等位基因（epiallele）靶标：其启动子在非果实组织中高甲基化，且该位点去甲基化被抑制，导致cnr表观突变植株无法成熟。

（3）组蛋白PTMs在细胞命运决定中的作用

组蛋白翻译后修饰在细胞命运决定中起着重要作用。一些抑制性组蛋白标记可以通过细胞分裂维持，因此具有稳定调控植物基因表达和发育的潜力。

例如，由Polycomb家族（PcG）染色质重塑复合体负责的H3K27me3是一种保守的表观遗传抑制标记。拟南芥含有三个Polycomb抑制复合体2催化核心的同源物：CURLY LEAF(CLF)、SWINGER(SWN)和MEDEA(MEA)。clf swn双突变体表现出极度异常的发育，从根部长出愈伤组织样生长物和芽样结构。拟南芥根毛细胞与非根毛细胞的比较显示，H3K27me3差异标记基因在细胞类型转换过程中，表明PcG蛋白及其介导的H3K27me3在维持整个植物细胞命运决定中起主要作用。图2b进一步说明了在雄性生殖细胞发育过程中，pre-tRNA基因位于MPS1基因的第9个内含子中，该基因通过RdDM通路发生甲基化，这种甲基化对于维持正常的减数分裂过程至关重要。

环境响应的表观基因组可塑性

（1）预期环境诱导的发育

植物需要使其发育与周围环境保持一致(例如在一年中的正确时间开花)，因此植物细胞感知和响应环境信号的能力对其生存至关重要，这种响应有时会通过表观遗传机制来实现。

一个典型的例子，拟南芥中的开花位点C(FLOWERING LOCUS C, FLC) 基因在调控开花时间中起着关键作用。植物通过感知冬季低温（vernalization）逐渐沉默FLC基因，从而使其在春季开花。在有机体水平上，这种沉默是渐进的，但在基因水平上，每个位点都是从开启到关闭的二元转换。这种转换通过三个阶段发生，通过将FLC从表现H3K36me3的活性状态转变为表现H3K27me3抑制状态。

图3详细展示了FLC基因在响应低温时的表观遗传变化过程，包括H3K36me3和H3K27me3的动态变化，以及这些变化如何通过PcG蛋白的作用实现FLC基因的长期沉默。

图3：发育过程中表观基因组对环境信号的可塑性。 温度季节性变化通过表观遗传重编程拟南芥FLC位点，确保开花时间的精确调控。在初始温暖条件下，FLC在每个细胞中表达，而反义转录本COOLAIR受到抑制。当温度转冷时，未知信号诱导COOLAIR表达，由于COOLAIR与FLC表达互斥，导致FLC表达下调。细胞中每个FLC拷贝独立调控，因此局部染色质变化调控正义与反义转录转换。COOLAIR转录本在顺式作用中形成云状结构包围FLC位点。COOLAIR的3'端由FCA复合体加工，该复合体与染色质重塑复合体互作，最终导致H3K36me3水平降低。H3K36me3与H3K27me3具有拮抗作用，因此COOLAIR转录终止可能为H3K27me3获得创造条件。随着低温持续，每个细胞中每个基因拷贝通过独立随机过程，由PcG蛋白在第一个外显子和第一个内含子起始处的三个核小体组成的成核位点沉积H3K27me3，使FLC沉默。单细胞中单FLC等位基因对低温响应的转换频率较低，意味着需要数周时间才能使所有细胞转为沉默状态。这种全株基因拷贝的二元开关转化为整株植物冷暴露的量化指标。最终当温度回暖时，H3K27me3通过DNA复制依赖性过程扩散至整个FLC位点，导致FLC稳定沉默，直至下一代植株形成前重置。

（2）胁迫诱导的表观基因组可塑性

非生物胁迫的表观基因组变化

盐胁迫：拟南芥幼苗暴露于盐胁迫后，发现成年植物再次暴露时的存活率提高(引发)。观察到全基因组H3K27me3减少，而H3K9me2保持稳定。在高亲和性K+转运蛋白1(HKT1)位点H3K27me3减少伴随着primed植物中HKT1转录本丰度增加，表明从HKT1去除H3K27me3可能是这些暴露植物胁迫反应改善的原因。

水稻中的辅伴侣蛋白BCL-2-associated anthanogene 4(BAG4)是盐胁迫敏感性的调节因子。BAG4与转录因子MYB106和DNA甲基化结合蛋白SUVH7互作，这些因子结合到HKT1;5启动子。SUVH7结合到一个富含mCHG或mCHH的MITE型转座子元件，当该元件丢失时，HKT1;5对盐的反应减弱，表明这个甲基化的MITE作为增强子发挥作用。

多代盐处理：一项研究拟南芥植物在五代中暴露于盐的影响发现，即使经过一代无盐暴露，盐暴露植物的后代也比对照植物更抗盐。然而，一代无盐暴露足以消除这种优势，表明这是一种短命的胁迫记忆。DNA甲基化机制突变消除了这种引发，记忆只能通过植物的母系遗传。图4a提出了胁迫可能通过诱导特定的表观遗传变化来增强植物对胁迫的响应能力。

生物胁迫的表观基因组变化

生物胁迫（如病原体感染）也能引起植物表观基因组的变化。例如，拟南芥在感染真菌病原体Fusarium oxysporum时，需要通过DNA去甲基化来进行正常防御，表明要么DNA去甲基化需要用于活性防御基因表达程序，要么主动去甲基化需要维持甲基组状态以实现正常功能，因此DNA甲基化的动态变化对于植物的免疫反应至关重要。

图4b和图4c进一步展示胁迫可能通过诱导随机的表观遗传变异或通过增强转座元件沉默来响应胁迫不同模型。

图4：胁迫诱导的表观基因组可塑性模型。 a.      模型1：胁迫可能诱导表观基因组发生程序性但稳定变化，从而改变靶基因表达，导致对胁迫增强响应。这些特异性变化需要转录因子或小RNA等序列特异性机制在胁迫发生时引导这些变化。 b.     模型2：胁迫诱导的表观突变率增加导致在随机靶基因上产生广泛的表观基因组和转录变化，由于随机变化可能导致对特定胁迫的抗性增强。 c.      模型3：植物经历的胁迫可诱导胁迫响应性转录程序。在启动这一新转录程序后，可在邻近转座元件位点诱导表观基因组变化以确保其持续被抑制，从而将表观基因组变化作为转录变化的启动因果关系逆转。

不同植物间的表观基因组变化

（1）自然存在的表观等位基因及其作用和起源

自然表观等位基因（epialleles）是由于表观遗传突变而产生的可遗传的表型变化，这些变化并非由DNA序列变化引起，而是由于转座元件的DNA甲基化状态改变而引起。

番茄中的无色不成熟(colorless non-ripening, cnr)表观突变是一个自然表观等位基因的例子，可阻止果实正常成熟。只有不到0.1%的独立植物通过恢复到野生型DNA甲基化状态而结果，突出了这个表观等位基因的稳定性。cnr表观等位基因部分由RdDM通路和甲基转移酶1(MET1)活性维持。

拟南芥品系间的基因组和表观基因组变异很常见。虽然单个碱基的DNA甲基化变异和基因体mCG变异似乎与DNA序列变异无关，但非CG DNA甲基化的大部分变异与遗传变异相关，而非CG DNA甲基化变化通常位于品系间转座子存在或缺失变异的位点附近。

图5a展示了表观等位基因的产生机制，通常与转座元件沉默或激活有关，这些转座元件的DNA甲基化状态可以代代相传，从而影响基因表达。

（2）人工诱导的表观等位基因及其在农业中的潜力

人工诱导的表观等位基因在农业中具有潜在的应用价值。例如克隆植物繁殖有可能诱导表观等位基因，通过组织培养再生植物可能会产生稳定的表观遗传变化，这些变化可以导致新的表型变异。

表观重组自交系(epigenetic recombinant inbred lines, epiRILs)通过将减少DNA甲基化1(decreased DNA methylation 1, ddm1)或met1突变体与野生型植物杂交，然后反复自交所得后代而开发，因此每个epiRIL将对DNA甲基化的不同模式纯合。epiRIL群体的变异包括由于开花Wageningen(FWA)启动子去甲基化引起的开花时间变异，以及改善的病原体抗性。

在油棕中，组织培养过程可能导致“mantled”表型的产生，这种表型表现为花器官的异常发育，从而影响果实的产量。图5b展示了这种表观变异的起源和机制，指出转座元件的DNA甲基化变化可能是导致这些变异的原因。

图5：表观等位基因是表观基因组中可遗传的变化，能够赋予植物特定表型。 a.      拟南芥中磷酸核糖邻氨基苯甲酸异构酶（PAI）基因家族的副突变（paramutation）。某些拟南芥品系（如Wassilewskija，WS）含有PAI1基因的倒位重复序列（PAI1–PAI4），导致基因组中所有四个PAI基因获得DNA甲基化。当其与含有三个未甲基化PAI基因的Col-0（Columbia）品系杂交时，PAI1–PAI3获得甲基化，即使倒位重复未被遗传，这种甲基化状态也能在多代中保持稳定。 b.     油棕植物中的表观等位基因现象。高产油棕杂交种通常通过组织培养（而非亲本杂交）繁殖，这种组织培养可能偶尔产生“Bad Karma”表观等位基因。在含有“Good Karma”表观等位基因的野生型植物中，油棕DEFICIENS基因内含子中的Karma型转座元件高甲基化。而在组织培养繁殖产生的“Bad Karma”表观等位基因中，该转座元件DNA甲基化丢失，导致转座元件内部提前终止转录，随后剪接机制利用转座元件内的3′剪接位点产生截短的转录本，编码提前终止密码子，最终引发植物发育异常。 

未来研究方向

作者提出，未来的研究方向应涵盖建立表观遗传变异与植物表型之间的因果关系，需要综合考虑表观遗传变化的时间轨迹、是否与基因组其他特征（如转座元件沉默）相关、是否可以在实验系统中复现类似效果，以及是否由遗传变异驱动表观遗传变化进而影响表型等。

在单细胞表观基因组学和靶向表观基因组编辑方面的新兴技术进步提供了崭新工具，研究人员能够以前所未有的分辨率和大规模探究表观基因组可塑性，并直接功能性地揭示相关变化的因果作用。

结论：

文章总结了植物表观基因组的可塑性在植物发育和环境响应中的重要作用。具体而言，表观基因组可以在植物发育过程中发生变化，但由于群体中随机表观突变或响应胁迫，特定表观遗传变化在维持基因组中起作用还是调控植物适应性可能难以明确。得益于技术进步，单细胞表观基因组分析方法的出现有望极大提高我们表征表观基因组变异的能力。表观基因组编辑工具尽管仍处于初级阶段，但其发展潜力巨大，有望为研究自然表观遗传变异以及为农业创造新的表观等位基因提供新的方法。

参考文献：

Lloyd JPB, Lister R. Epigenome plasticity in plants.Nat Rev Genet. 2022 Jan;23(1):55-68. doi:10.1038/s41576-021-00407-y.