表观遗传信息的存在对细胞命运决定及维持、细胞环境信号响应等方面都至关重要。表观遗传信息虽然经常能经过细胞分裂传递给子代细胞，但科学家对表观遗传信息究竟能在多大程度上通过有性生殖传递给后代一直存在争议和讨论。在哺乳动物中，得益于生殖细胞成熟以及受精后的几次重编程过程，一般认为上一代获得的表观遗传信息极少传递给后代【1】。与动物不同，有花植物在胚胎发育过程中并未分化出生殖细胞，在胚胎发育之后仍将经历一段较长时间的营养生长阶段，在此过程中植物需要不断响应内源及环境信号，随之分化产生生殖器官（花）及生殖细胞【2】。此外有花植物的配子存在于植物特有的配子体中，以雄配子体发育为例，小孢子母细胞由花药孢原细胞分化形成，随后小孢子母细胞经减数分裂产生4个小孢子（microspore，Ms），每个小孢子再经历两次有丝分裂形成一粒包含了两个精细胞（sperm cell, Spm）及一个营养细胞核(vegetative nucleus, Veg)的成熟花粉。因此，有花植物精细胞是由体细胞经过几次细胞分裂直接“去分化”形成的。由此引出一个重要的科学问题：植物中亲本携带的表观遗传信息（组蛋白修饰）在从体细胞到精细胞的几次细胞分裂事件中经历了怎样的“重编程”过程？ 

图一：模式图展示了拟南芥花粉精细胞及营养细胞中几类具有不同染色质修饰状态的基因，以及对应的基因表达状态和染色质开放程度

首先通过流式细胞分选获得高纯度的精细胞核及营养细胞核，结合该研究建立的一套与之相匹配的高灵敏ChIP-seq流程（图二），研究人员发现在拟南芥精细胞染色质中存在广泛的染色质二价性（约占80% H3K27me3修饰位点）, 即通常认为的抑制型组蛋白修饰（H3K27me3）与激活型组蛋白修饰（H3K4me3）广泛共存于染色质的不同区域 （图二）。结合此前的报道，染色质二价性广泛存在于哺乳动物的一些多能干细胞中【3】，而在动植物的体细胞中均基本不可见，因此该研究的结果暗示了染色质二价性可能是具有多能性或全能性细胞的一个保守的染色质特征。具有二价性修饰的基因又能被进一步分为与基因表达相关的HBG（Hot Bivalent Gene, FPKM>= 0.5）及没有表达的CBG (Cold Bivalent Gene, FPKM<=0.5)两类（图二）。HBG及CBG分别基于在小孢子时期就已经预先建立的H3K4me3及H3K27me3而建立。HBG基因主要富集了DNA复制、修复、细胞分裂等在雄配子体发育过程中所必须的基因，而CBG则主要富集了细胞壁合成和环境刺激响应等在雄配子发生过程中不被需要但在受精后可能会需要其表达的基因。该研究提出对HBG及CBG，染色质二价性的可能作用均在于使基因处在一种较为灵活的停顿状态（poised state），为受精后基因表达或抑制程序的启动和运行做准备。

图二：ChIP-seq结果显示潜在的染色质二价性广泛存在于拟南芥精细胞中

为了探究体细胞中建立的表观遗传信息能否及如何传递给生殖细胞，研究人员分析了H3K27me3修饰从体细胞、小孢子、到成熟精细胞这一过程中的动态变化（图三）。发现大部分体细胞中H3K27me3修饰位点上的修饰水平在精细胞发育过程中存在下调。然而对H3K27me3较为彻底的擦除只存在于包括FLC在内的700多个基因上（图三），这些基因高度富集了对花器官发育及胚胎模式建成等发育过程起重要作用的转录因子。该结果展示了全表观组水平H3K27me3修饰在有花植物雄性生殖细胞中重置的逻辑，并暗示亲本H3K27me3在整个基因组中的完全擦除对于保证后代正确的发育模式及环境响应可能不是必须的。

图三：H3K27me3的重置选择性发生在一些对发育起重要作用的基因上

此前报道精细胞中存在一种特异表达的组蛋白变体H3.10，且该变体无法被PRC2复合体识别从而发生H3K27me3修饰【4】。因此，此前的假说认为H3.10会通过替换传统的H3.1/3.3从而引起H3K27me3在精细胞中的重置。在此背景下，研究人员在H3.10基因敲除突变体的精细胞中开展了H3K27me3 ChIP-seq，发现H3.10对重置体细胞的H3K27me3贡献微弱。数据表明，伴随花粉第一次有丝分裂的完成，H3.10可能优先渗入并影响一些在生殖细胞（Generative cell, GC）中H3K27me3修饰水平极低的位点，其渗入阻止了在这些位点上进一步建立H3K27me3的可能性；而巧妙的是，上述这些位点正是在营养细胞中需要建立H3K27me3的位点。因此，H3.10的渗入帮助了精细胞建立起区别于营养细胞的染色质特征，其主要功能不在于帮助重置体细胞的H3K27me3 （图一C）。

动植物的生殖细胞在产生方式、形态及后续的受精方式上都存在巨大差异。拟南芥的两个精细胞与一个体积较大的营养细胞核共同存在于同一花粉粒中。营养细胞通过花粉管萌发，将两个精细胞输送到胚珠附近完成双受精。该研究发现营养细胞在染色质水平代表了一类高度特化的细胞，染色质修饰状态与营养细胞的功能非常吻合。有数千个基因在小孢子到营养细胞核形成过程中新建了H3K27me3修饰，其中许多是减数分裂时被需要而随后被关闭表达的基因（图一B）。此外，与花粉管萌发、受精等过程相关的基因在营养细胞中高度活跃表达，H3K4me3修饰在这些基因上呈现宽阔（broad）的分布模式，即H3K4me3修饰覆盖在整个基因区域（图一B）。此外，与营养细胞核松散的形态一致，染色质可及性数据（ATAC-seq）显示营养细胞核染色质较精子及体细胞在基因body, 基因间区及近着丝粒区域都更为开放。在近着丝粒区域（异染色质），营养细胞中升高的染色质可及性伴随了H3K27me3在此区域的异位积累，与此同时，H3K9me2仍然在该区域存在显著富集。

综上所述，该研究首次系统报道了有花植物雄配子体发育过程中组蛋白修饰重编程的特征和机制，凸显了染色质二价性以及H3K27me3在关键发育基因上的重置可能是有花植物精细胞最重要和独特的染色质特征。

该研究由南方科技大学生科院的吴柘团队和陈曦团队合作完成，吴柘与陈曦为论文共同通讯作者。吴柘团队研究副教授朱丹灵和陈曦团队博士生闻懿分别完成了主要的实验及生信分析，为论文共同第一作者。美国罗格斯大学郑海燕博士、北京大学瞿礼嘉教授对该研究做了重要贡献。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41588-023-01329-7

参考文献

1. Heard, E. & Martienssen, R.A. Transgenerational epigenetic inheritance: myths and mechanisms. Cell 157, 95-109 (2014).

2. Baulcombe, D.C. & Dean, C. Epigenetic regulation in plant responses to the environment. Cold Spring Harb Perspect Biol 6, a019471 (2014).

3. Macrae, T.A., Fothergill-Robinson, J. & Ramalho-Santos, M. Regulation, functions and transmission of bivalent chromatin during mammalian development. Nat Rev Mol Cell Biol 24, 6-26 (2023).

4. Borg, M. et al. Targeted reprogramming of H3K27me3 resets epigenetic memory in plant paternal chromatin. Nat Cell Biol 22, 621-629 (2020).