我室孙蒙祥课题组揭示植物精细胞命运决定的表观遗传调控机制

被子植物小孢子经一次有丝分裂形成发育命运截然不同的两个子细胞，即一个营养细胞和一个生殖细胞。生殖细胞进一步分裂形成两个精细胞。精细胞作为雄配子的发育及功能特化是完成双受精与种子发育的前提。因而，调控上述两种截然不同的细胞命运的分子机制一直是植物有性生殖研究领域的热点与难点。近日，武汉大学孙蒙祥教授课题组在《Ｔｈｅ　Ｐｌａｎｔ　Ｃｅｌｌ》杂志发表题为“Ｈ３Ｋ２７　ｍｅｔｈｙｌａｔｉｏｎ　ｒｅｇｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｆａｔｅ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｃｅｌｌ　ｌｉｎｅａｇｅｓ　ｉｎ　ｍａｌｅ　ｇａｍｅｔｏｐｈｙｔｅｓ”的研究成果，揭示了Ｈ３Ｋ２７甲基化的不同状态是调控生殖系细胞与营养细胞命运决定的关键。

在成熟的花粉中，前人发现Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３在精细胞染色质中被特异擦除，但在营养细胞中得以保留，而Ｈ３Ｋ９ｍｅ２则仅存在于精细胞中，推测组蛋白甲基化状态可能对于花粉内两个细胞系的命运决定至关重要，但却无法验证。孙蒙祥课题组独辟蹊径，通过在营养细胞中表达Ｈ３Ｋ２７去甲基化酶ＲＥＦ６，靶向清除营养细胞中的Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３，揭示了Ｈ３Ｋ２７甲基化状态对于两种不同细胞命运决定的关键作用。研究者发现营养细胞的功能特化受到Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３清除的严重扰乱，以致无法正常萌发，不能产生传递精细胞所必需的花粉管。与此同时，雄性生殖系细胞特异的转录因子ＤＵＯ１、组蛋白变体Ｈ３．１０以及Ｈ３Ｋ９ｍｅ２等出现于营养细胞中，表明Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３的擦除导致业已分化的营养细胞朝向雄性生殖系细胞转变。ＣＵＴ＆Ｔａｇ、ＡＴＡＣ－Ｓｅｑ和ＲＮＡ－Ｓｅｑ等组学联合分析进一步揭示了擦除营养细胞中的Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３可以导致其染色质重塑，并激活精细胞分化所必需的特异基因转录。研究者进一步通过超微结构分析从细胞学水平证实了发育命运转变的营养细胞具有了明显属于精细胞的亚细胞结构特征。通过上述工作，该团队首次以确凿的实验证据证明了Ｈ３Ｋ２７的甲基化状态是将小孢子分裂后的两个子细胞导向生殖系细胞或营养细胞不同发育命运的关键。营养细胞保持小孢子的Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３状态，并抑制了配子细胞命运的起始，而生殖系细胞丢失Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３，从而启动了朝向配子细胞的发育进程。该工作也为先前关于雄配子体内细胞命运决定的两个假说提供了明确的证据，即配子细胞命运的特化取决于小孢子不等分裂后某些差异分布的未知因子；营养细胞默认维持小孢子已有的发育程序，而雄性生殖系细胞发育则需要重编程。

图１：靶向清除雄配子体中营养细胞的Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３。

图２：Ｈ３Ｋ２７ｍｅ３擦除激发营养细胞向雄性生殖系细胞转变。

图３：Ｈ３Ｋ２７甲基化调控雄配子体内雄性生殖系细胞／营养细胞命运决定。

武汉大学生命科学学院黄小荣博士为该文的第一作者，孙蒙祥教授为通讯作者。本研究得到国家自然科学基金重点项目、重大项目以及青年科学基金项目的支持。