WGBS等揭示DNA甲基化調控林地草莓植株高度和果實大小的分子機制
DNA甲基化影響基因組穩定性、轉座子沉默和基因表達；它主要發生在對稱CG和CHG以及不對稱CHH (H = A, C或T)中的胞嘧啶上。RNA介導的DNA甲基化(RNA-directed DNA methylation，RdDM)通路調控植物中所有三種序列背景下的novo DNA甲基化。RdDM通路非常復雜，由許多蛋白質和非編碼RNA組成。盡管RdDM是一種重要的表觀遺傳修飾通路，但其生物學作用和進化重要性僅局限于少數植物物種。在RdDM機制中，小基因家族DNA甲基化因子(FDM) 1-5及其參與De Novo 2 (IDN2)/RDM 12的同源物是重要的組成部分。
草莓是世界各地種植的一種受歡迎水果作物。栽培草莓屬于八倍體物種Fragaria X ananassa。二倍體林地草莓Fragaria vesca（F. vesca）是栽培草莓的祖先種，是經常被用作基礎研究的模式物種。在栽培草莓果實成熟過程中，由于RdDM活性降低，檢測到整體DNA甲基化減少。然而，關于DNA甲基化對草莓其他性狀的調控作用知之甚少。
2022年10月6日，華中農業大學園藝學院康春英教授團隊以“Factor of DNA methylation 1 affects woodland strawberry plant stature and organ size via DNA methylation”為題在《Plant Physiology》雜志發表研究論文。該研究以林地草莓 (F. vesca)為對象，通過全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）的表觀基因組和對應的轉錄組分析，揭示了DNA甲基化因子1（FDM1）通過調控CHH中的DNA甲基化，在啟動子和3’-末端位點具有更強作用，并影響不同組織中的基因表達，改變DNA甲基化水平，從而影響林地草莓的植株高度和果實大小，表明了RdDM在草莓生長發育的關鍵調控作用。
標題：Factor of DNA methylation 1 affects woodland strawberry plant stature and organ size via DNA methylation （DNA甲基化因子1通過DNA甲基化影響林地草莓植株的生長和果實大小）
時間：2022-10-06
期刊：Plant Physiology
影響因子：IF 7.4 / 1區
技術平臺：WGBS、RNA-seq、qRT-PCR分析等
研究摘要：
RNA介導的DNA甲基化（RdDM）是一種表觀遺傳學過程，RdDM將沉默導向特定的基因組區域和位點。RdDM生物學功能在園藝植物中沒有得到深入研究。本研究在林地草莓（Fragaria vesca）分離了EMS（ethyl methane-sulfonate）誘導的（reduced organ size，ros）突變體，與野生型（WT）相比，ros突變體由于細胞數量減少，會產生小的葉片、花朵和果實。候選突變導致FvH4_6g28780中的過早終止密碼子，該密碼子與編碼RdDM通路成分的擬南芥（Arabidopsis thaliana）DNA甲基化因子1（FDM1）具有高度相似性，被命名為FveFDM1。同樣，CRISPR/Cas9產生的fvefdm1CR突變體也產生較小的果實。在擬南芥fdm1-1fdm2-1雙突變體中過表達FveFDM1回復了RdDM靶位點的DNA甲基化。FveFDM1與De Novo 2（FveIDN2）中參與的同源物在蛋白質復合體中發揮作用。
全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）顯示，fvefdm1的全基因組DNA甲基化顯著減少，尤其在CHH中。與野生型(WT)組織相比，fvefdm1突變體的不同組織中鑒定出共有和特異性差異表達基因，驗證了幾種赤霉素（GA）生物合成和細胞周期基因的DNA甲基化和表達水平。與WT相比，fvefdm1幼葉中GA和生長素含量顯著降低，且經外源GA和生長素處理也不能恢復fvefdml的果實器官大小。此外，GA處理大大誘導了FveFDM1、FveIDN2、核RNA聚合酶D1（FveNRPD1）、結構域重排甲基化酶2（FveDRM2）和細胞周期基因的表達水平。總之，本研究結果表明了FveFDM1通過RdDM介導的園藝作物DNA甲基化在植物生長和發育中的關鍵作用。
圖形摘要：草莓中FveFDM1基因的功能模型
GA誘導FveFDM1和FveIDN2表達，FveFDM1/FveIDN2的蛋白復合體直接結合長RNA，與AGO4-siRNA一起影響靶位點的DNA甲基化水平。一些潛在的下游調控基因被DNA甲基化促進或抑制，通過干擾細胞分裂導致果實器官大小變化。
設計思路
結果圖形
（1）F. vesca中的ros突變體在細胞增殖方面存在缺陷
B. WT野生型和ros突變體的葉片、開放的花朵和成熟的果實。在（A）和（B）中，對各個圖像的數字提取以比較分析。
C. WT和ros的葉片表皮近軸側圖像。
D. 葉片表皮的同一區域的細胞數量和葉片面積。
E. WT和ros的花瓣表皮的差分干涉對比圖像。
F. 在花瓣表皮的同一區域的花瓣面積和細胞數量。
G. WT和ros果實在髓中心7 DAP時的橫截面圖像。
H. 7 DAP時，果實髓同一區域的細胞數。
在D、F和H中，數據表示為平均值±標準偏差（SD）；n=6-15；**P＜0.01，學生t檢驗。比例尺：（A）2cm；（B）1cm；（C和G）100 μm；（E） 10 μm。
（2）ros突變體由FveFDM1中的點突變誘導
B. FveFDM1的保守結構域和突變位點示意圖。
C. FveFDM1及其同源物在草莓、擬南芥和水稻中的系統發育樹。Bootstrap值來自1000個重復百分比。藍點表示草莓基因。每個位點比例尺。
D. 基于RNA-seq reads的log2轉化轉錄本，每M reads顯示FveFDM1及其同源物在F.vesca不同組織中的表達水平熱圖。SAM，莖尖分生組織；FM，花分生組織；REM，花托分生組織；RG，F. vesca變種Ruegen；YW，F.vesca品種YW。
E. FveFDM1-GFP、FveIDN2-GFP和FveFDM2-GFP在N. benthamiana葉片中的亞細胞定位。比例尺：10 μm。
（3）CRISPR/Cas9敲除FveFDM1導致果實器官變小
圖3：fvefdm1CR突變體的產生和表征
A. FveFDM1中sgRNA靶位點示意圖。原間隔區相鄰motif（PAM）序列用紅色表示。
B. T0代中的三個fvefdm1CR突變體（L1-3）和未經編輯的轉化植物（WT）。
C. 在T0代中fvefdm1CR L1–3的sgRNA靶位點誘導突變。虛線表示敲除的核苷酸。插入的核苷酸用紅色表示。所有測序克隆中每個等位基因比例在序列后面表示。
D. fvefdm1CR L1–3和WT的成熟葉片。
E. fvefdm1CR L1–3和WT的葉片大小。對單個圖像進行數字提取以進行比較。
F. fvefdm1CR L1–3和WT葉片表皮近軸側的圖像。
G. fvefdm1CR L1–3和WT葉片表皮近軸側的細胞數量和細胞大小。
H. FveFDM1在fvefdm1CR L1–3和WT幼葉中的表達水平。
數據為從三個生物學重復中獲得的平均值±SD；*P＜0.05；**P＜0.01，學生t檢驗。比例尺：（B和D）2 cm；（F）100μm。
（4）FveFDM1在RdDM通路中起作用，并與FveIDN2直接互作
B. WT、fdm1-1、fdm2-1和三個轉基因系葉片中，通過HaeIII或McrBC和qPCR消化的chop PCR檢測三個RdDM靶標AtSN1、IGN5和siR02的DNA甲基化水平。使用未消化的基因組DNA作為每個樣品對照擴增。（A）和（B）中的數據從三個生物學重復中獲得的平均值±SD；**P＜0.01，學生t檢驗。
C. 通過酵母雙雜交分析檢測FveFDM1、FveIDN2和FveFDM2之間的蛋白質互作。轉化的酵母細胞在SD–Leu–Trp或SD–Leu-Trp–His–Ade培養基上生長。AD：激活域；BD：DNA結合域。使用空載體作為對照。
D. 利用分裂熒光素酶互補法檢測N. benthamiana葉片中FveFDM1和FveIDN2之間的蛋白質互作。比例尺：2 cm.
E. Co-IP檢測FveFDM1和FveIDN2之間的蛋白質互作。該蛋白在N.benthamiana葉片中瞬時表達。
（5）FveFDM1調控DNA甲基化
B. fvefdm1中CG、CHG和CHH中相對于WT的hyper-DMR和hypo-DMR數量。
C. WT和fvefdm1中hypo-DMR中的CG、CHG和CHH甲基化水平方框圖。Center line, median; box limits, upper and lower quartiles; whiskers,1.5 X interquartile range; points, outliers.（A）和（C）設置三個生物學重復。
D. CG、CHG和CHH 中hypo-DMR的基因組分布。N（CG-hypo-DMR）=13563，n（CHG-hypo-DMR）=43141，n（CH-hypo-deMR）=74720。
E. CHH hypo-DMR在不同基因組區域分布。Promoter表示TSS上游2kb。Downstream表示TTS的下游2kb。
F. WT和fvefdm1中與基因組比對的小RNA的大小分布。數據表示為三個生物重復的平均值±SD。
G. 下調（downregulated）（n=23395）或隨機（random）（n=233 95）siRNA簇與CHH-hypo-DMR重疊或不重疊的百分比。**P＜0.01，Fisher精確檢驗。
（6）FveFDM1突變導致的差異表達基因
圖6：fvefdm1中DNA甲基化導致的DEG變化
A. 與WT相比，fvefdm1的莖尖、花和果實中特異性和共有的差異表達基因（DEG）Venn圖（倍數變化＞2，P＜0.01＝。
B. 與WT相比，fvefdm1花朵中CG、CHG和CHH環境下DEG的DNA甲基化變化熱圖（fvefdm1-WT）。
C. 在果實器官大小中具有潛在調控作用的候選DEG的log2轉化倍數變化熱圖。
D. RT–qPCR檢測三種共有上調基因在莖尖、花和果實中的表達水平。
E. 幼葉中三個共有上調基因的DNA甲基化水平的McrBC-qPCR分析。
F. RT–qPCR檢測細胞周期基因在莖尖的表達水平。
G. 幼葉細胞周期基因DNA甲基化水平的McrBC-qPCR分析。
H. RT-qPCR檢測7 DAP時果實中GA生物合成和分解代謝基因的表達水平。
I. 7 DAP時果實GA生物合成和分解代謝基因DNA甲基化水平的McrBC-qPCR分析。
在（E、G和I）中，對McrBC消化的基因組DNA進行qPCR，其中高qPCR信號表示較低的mC水平。以GAPDH（FvH4_4g24420）中沒有DNA甲基化片段作為對照。（D-I）中的數據從三個生物學重復中獲得的平均值±SD；**P＜0.01，學生t檢驗。
（7）FveFDM1介導的RdDM通路與GA和生長素互作
B. GA 3處理2周后WT和fvefdm1葉片圖像。比例尺:1 cm。
C. GA 3處理2周后WT和fvefdm1的葉柄長度和葉片面積。
D. GA 3 + NAA處理1個月后WT和fvefdm1未授粉果實的圖像。比例尺：1cm。在(B)和(D)中，對單個圖像進行數字提取以進行比較。
E. GA 3 + NAA處理1個月后WT和fvefdm1未授粉果實的寬度和長度。
F. GA 3處理24h后WT幼苗中FveFDM1及其他三個RdDM基因的表達水平。
G. GA 3處理24 h后WT幼苗細胞周期基因的表達水平。柱狀圖數據為三個生物學重復的平均值±SD;** P＜0.01，學生t檢驗。
參考文獻：
Zheng G, Hu S, Cheng S, Wang L, Kan L, Wang Z, Xu Q, Liu Z, Kang C. Factor of DNA methylation 1 affects woodland strawberry plant stature and organ size via DNA methylation. Plant Physiol. 2023 Jan 2;191(1):335-351. pii: 6749584.
草莓是世界各地種植的一種受歡迎水果作物。栽培草莓屬于八倍體物種Fragaria X ananassa。二倍體林地草莓Fragaria vesca（F. vesca）是栽培草莓的祖先種，是經常被用作基礎研究的模式物種。在栽培草莓果實成熟過程中，由于RdDM活性降低，檢測到整體DNA甲基化減少。然而，關于DNA甲基化對草莓其他性狀的調控作用知之甚少。
2022年10月6日，華中農業大學園藝學院康春英教授團隊以“Factor of DNA methylation 1 affects woodland strawberry plant stature and organ size via DNA methylation”為題在《Plant Physiology》雜志發表研究論文。該研究以林地草莓 (F. vesca)為對象，通過全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）的表觀基因組和對應的轉錄組分析，揭示了DNA甲基化因子1（FDM1）通過調控CHH中的DNA甲基化，在啟動子和3’-末端位點具有更強作用，并影響不同組織中的基因表達，改變DNA甲基化水平，從而影響林地草莓的植株高度和果實大小，表明了RdDM在草莓生長發育的關鍵調控作用。
時間：2022-10-06
期刊：Plant Physiology
影響因子：IF 7.4 / 1區
技術平臺：WGBS、RNA-seq、qRT-PCR分析等
研究摘要：
RNA介導的DNA甲基化（RdDM）是一種表觀遺傳學過程，RdDM將沉默導向特定的基因組區域和位點。RdDM生物學功能在園藝植物中沒有得到深入研究。本研究在林地草莓（Fragaria vesca）分離了EMS（ethyl methane-sulfonate）誘導的（reduced organ size，ros）突變體，與野生型（WT）相比，ros突變體由于細胞數量減少，會產生小的葉片、花朵和果實。候選突變導致FvH4_6g28780中的過早終止密碼子，該密碼子與編碼RdDM通路成分的擬南芥（Arabidopsis thaliana）DNA甲基化因子1（FDM1）具有高度相似性，被命名為FveFDM1。同樣，CRISPR/Cas9產生的fvefdm1CR突變體也產生較小的果實。在擬南芥fdm1-1fdm2-1雙突變體中過表達FveFDM1回復了RdDM靶位點的DNA甲基化。FveFDM1與De Novo 2（FveIDN2）中參與的同源物在蛋白質復合體中發揮作用。
全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS）顯示，fvefdm1的全基因組DNA甲基化顯著減少，尤其在CHH中。與野生型(WT)組織相比，fvefdm1突變體的不同組織中鑒定出共有和特異性差異表達基因，驗證了幾種赤霉素（GA）生物合成和細胞周期基因的DNA甲基化和表達水平。與WT相比，fvefdm1幼葉中GA和生長素含量顯著降低，且經外源GA和生長素處理也不能恢復fvefdml的果實器官大小。此外，GA處理大大誘導了FveFDM1、FveIDN2、核RNA聚合酶D1（FveNRPD1）、結構域重排甲基化酶2（FveDRM2）和細胞周期基因的表達水平。總之，本研究結果表明了FveFDM1通過RdDM介導的園藝作物DNA甲基化在植物生長和發育中的關鍵作用。
圖形摘要：草莓中FveFDM1基因的功能模型
設計思路
結果圖形
（1）F. vesca中的ros突變體在細胞增殖方面存在缺陷
圖1：F. vesca 中ros突變體的表型特征
A. WT野生型（F.vesca植株YW）和ros突變體植株。B. WT野生型和ros突變體的葉片、開放的花朵和成熟的果實。在（A）和（B）中，對各個圖像的數字提取以比較分析。
C. WT和ros的葉片表皮近軸側圖像。
D. 葉片表皮的同一區域的細胞數量和葉片面積。
E. WT和ros的花瓣表皮的差分干涉對比圖像。
F. 在花瓣表皮的同一區域的花瓣面積和細胞數量。
G. WT和ros果實在髓中心7 DAP時的橫截面圖像。
H. 7 DAP時，果實髓同一區域的細胞數。
在D、F和H中，數據表示為平均值±標準偏差（SD）；n=6-15；**P＜0.01，學生t檢驗。比例尺：（A）2cm；（B）1cm；（C和G）100 μm；（E） 10 μm。
（2）ros突變體由FveFDM1中的點突變誘導
圖2：ros致病基因FveFDM1及其同源物特征
A. FveFDM1基因模型和ros致病突變示意圖。粗條表示外顯子，細條表示內含子。突變密碼子有下劃線。B. FveFDM1的保守結構域和突變位點示意圖。
C. FveFDM1及其同源物在草莓、擬南芥和水稻中的系統發育樹。Bootstrap值來自1000個重復百分比。藍點表示草莓基因。每個位點比例尺。
D. 基于RNA-seq reads的log2轉化轉錄本，每M reads顯示FveFDM1及其同源物在F.vesca不同組織中的表達水平熱圖。SAM，莖尖分生組織；FM，花分生組織；REM，花托分生組織；RG，F. vesca變種Ruegen；YW，F.vesca品種YW。
E. FveFDM1-GFP、FveIDN2-GFP和FveFDM2-GFP在N. benthamiana葉片中的亞細胞定位。比例尺：10 μm。
（3）CRISPR/Cas9敲除FveFDM1導致果實器官變小
圖3：fvefdm1CR突變體的產生和表征
B. T0代中的三個fvefdm1CR突變體（L1-3）和未經編輯的轉化植物（WT）。
C. 在T0代中fvefdm1CR L1–3的sgRNA靶位點誘導突變。虛線表示敲除的核苷酸。插入的核苷酸用紅色表示。所有測序克隆中每個等位基因比例在序列后面表示。
D. fvefdm1CR L1–3和WT的成熟葉片。
E. fvefdm1CR L1–3和WT的葉片大小。對單個圖像進行數字提取以進行比較。
F. fvefdm1CR L1–3和WT葉片表皮近軸側的圖像。
G. fvefdm1CR L1–3和WT葉片表皮近軸側的細胞數量和細胞大小。
H. FveFDM1在fvefdm1CR L1–3和WT幼葉中的表達水平。
數據為從三個生物學重復中獲得的平均值±SD；*P＜0.05；**P＜0.01，學生t檢驗。比例尺：（B和D）2 cm；（F）100μm。
（4）FveFDM1在RdDM通路中起作用，并與FveIDN2直接互作
圖4：FveFDM1可以回復擬南芥fdm1-1fdm2-1中的DNA甲基化水平，并與FveIDN2直接互作
A. RT–qPCR檢測FveFDM1在fdm1-1 fdm2-1和三個FveFDM1-ox轉基因系（L8、L15和L16）中的表達水平。B. WT、fdm1-1、fdm2-1和三個轉基因系葉片中，通過HaeIII或McrBC和qPCR消化的chop PCR檢測三個RdDM靶標AtSN1、IGN5和siR02的DNA甲基化水平。使用未消化的基因組DNA作為每個樣品對照擴增。（A）和（B）中的數據從三個生物學重復中獲得的平均值±SD；**P＜0.01，學生t檢驗。
C. 通過酵母雙雜交分析檢測FveFDM1、FveIDN2和FveFDM2之間的蛋白質互作。轉化的酵母細胞在SD–Leu–Trp或SD–Leu-Trp–His–Ade培養基上生長。AD：激活域；BD：DNA結合域。使用空載體作為對照。
D. 利用分裂熒光素酶互補法檢測N. benthamiana葉片中FveFDM1和FveIDN2之間的蛋白質互作。比例尺：2 cm.
E. Co-IP檢測FveFDM1和FveIDN2之間的蛋白質互作。該蛋白在N.benthamiana葉片中瞬時表達。
（5）FveFDM1調控DNA甲基化
圖5：fvefdm1花蕾中的DNA甲基化水平和siRNA豐度
A. F.vesca WT和fvefdm1中所有基因和TE中CG、CHG和CHH甲基化的平均水平，包括轉錄起始位點（TSS）上游2kb和轉錄終止位點（TTS）下游2kb。B. fvefdm1中CG、CHG和CHH中相對于WT的hyper-DMR和hypo-DMR數量。
C. WT和fvefdm1中hypo-DMR中的CG、CHG和CHH甲基化水平方框圖。Center line, median; box limits, upper and lower quartiles; whiskers,1.5 X interquartile range; points, outliers.（A）和（C）設置三個生物學重復。
D. CG、CHG和CHH 中hypo-DMR的基因組分布。N（CG-hypo-DMR）=13563，n（CHG-hypo-DMR）=43141，n（CH-hypo-deMR）=74720。
E. CHH hypo-DMR在不同基因組區域分布。Promoter表示TSS上游2kb。Downstream表示TTS的下游2kb。
F. WT和fvefdm1中與基因組比對的小RNA的大小分布。數據表示為三個生物重復的平均值±SD。
G. 下調（downregulated）（n=23395）或隨機（random）（n=233 95）siRNA簇與CHH-hypo-DMR重疊或不重疊的百分比。**P＜0.01，Fisher精確檢驗。
（6）FveFDM1突變導致的差異表達基因
圖6：fvefdm1中DNA甲基化導致的DEG變化
B. 與WT相比，fvefdm1花朵中CG、CHG和CHH環境下DEG的DNA甲基化變化熱圖（fvefdm1-WT）。
C. 在果實器官大小中具有潛在調控作用的候選DEG的log2轉化倍數變化熱圖。
D. RT–qPCR檢測三種共有上調基因在莖尖、花和果實中的表達水平。
E. 幼葉中三個共有上調基因的DNA甲基化水平的McrBC-qPCR分析。
F. RT–qPCR檢測細胞周期基因在莖尖的表達水平。
G. 幼葉細胞周期基因DNA甲基化水平的McrBC-qPCR分析。
H. RT-qPCR檢測7 DAP時果實中GA生物合成和分解代謝基因的表達水平。
I. 7 DAP時果實GA生物合成和分解代謝基因DNA甲基化水平的McrBC-qPCR分析。
在（E、G和I）中，對McrBC消化的基因組DNA進行qPCR，其中高qPCR信號表示較低的mC水平。以GAPDH（FvH4_4g24420）中沒有DNA甲基化片段作為對照。（D-I）中的數據從三個生物學重復中獲得的平均值±SD；**P＜0.01，學生t檢驗。
（7）FveFDM1介導的RdDM通路與GA和生長素互作
圖7：RdDM與GA和生長素互作
A. WT和fvefdm1幼葉中GA和生長素的含量。B. GA 3處理2周后WT和fvefdm1葉片圖像。比例尺:1 cm。
C. GA 3處理2周后WT和fvefdm1的葉柄長度和葉片面積。
D. GA 3 + NAA處理1個月后WT和fvefdm1未授粉果實的圖像。比例尺：1cm。在(B)和(D)中，對單個圖像進行數字提取以進行比較。
E. GA 3 + NAA處理1個月后WT和fvefdm1未授粉果實的寬度和長度。
F. GA 3處理24h后WT幼苗中FveFDM1及其他三個RdDM基因的表達水平。
G. GA 3處理24 h后WT幼苗細胞周期基因的表達水平。柱狀圖數據為三個生物學重復的平均值±SD;** P＜0.01，學生t檢驗。
參考文獻：
Zheng G, Hu S, Cheng S, Wang L, Kan L, Wang Z, Xu Q, Liu Z, Kang C. Factor of DNA methylation 1 affects woodland strawberry plant stature and organ size via DNA methylation. Plant Physiol. 2023 Jan 2;191(1):335-351. pii: 6749584.
標簽：
DNA甲基化
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