被子植物的精細胞發育涉及精細調控的細胞分化與命運決定，在此過程中，單倍體的小孢子通過不對稱有絲分裂，產生兩個命運和身份不同的子細胞，即營養細胞和生殖細胞，前者退出細胞周期、在適宜條件下發育成運送精細胞的花粉管；後者通過有絲分裂產生兩個精細胞，這兩個精細胞被花粉管運送到雌蕊的胚囊分別與中央細胞和卵細胞融合啟動雙受精。研究顯示，精細胞的發育過程伴隨轉錄組和DNA甲基化組的重編程，但學界尚不清楚精細胞的DNA甲基化模式何時及如何建立。
中國科學院植物研究所研究員王臺課題組從番茄中分離了小孢子、生殖細胞、精細胞和營養細胞核，利用亞硫酸氫鹽測序等方法，研究了這四種類型細胞的核基因組DNA 5mC圖譜。研究發現，小孢子通過不對稱分裂產生的兩個子細胞具有不同的DNA甲基化組。與生殖細胞相比，營養細胞的CG位點處於低甲基化狀態，CHG和CHH位點處於高甲基化狀態，大部分的差異甲基化區域發生在轉座元件。精細胞和生殖細胞有幾乎一致的DNA甲基化圖譜，這表明，精細胞的甲基化模式可能在小孢子不對稱分裂後就已建立。研究人員利用隨機森林分類算法系統，分析了這4種類型細胞的轉錄組與DNA甲基化組的關聯性，結果顯示，基因內部的甲基化特徵能夠更有效地預測基因和轉座元件的表達。在所有檢測的細胞類型中，基因內部的甲基化特徵能夠更好地預測小孢子中的基因和轉座元件的表達。
相關研究成果在線發表在Plant Journal上。已畢業博士研究生魯雲龍為論文第一作者，王臺和助理研究員劉玲童為論文的共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委的支持。
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圖1.精細胞發育過程中三種甲基化水平的變化。（a）與營養細胞相比，CG高甲基化，CHG和CHH低甲基化伴隨著精細胞的發育過程。（b）基因的平均甲基化水平。（c） 轉座元件的平均甲基化水平。生殖細胞和精細胞具有幾乎完全重合的平均甲基化水平曲線。單核小孢子（MS），營養細胞（VC），生殖細胞（GC），精細胞（SC），轉錄起始位點（TSS），轉錄終止位點（TES），轉座元件（TE）
圖2.甲基化模式可以部分預測基因和轉座子的表達。（a）不同的甲基化特徵在隨機森林算法預測各細胞類型中基因表達時的重要程度。啟動子的甲基化水平（mp），基因體的甲基化水平（mg），基因下遊的甲基化水平（md），啟動子的甲基化位點數量（np）, 基因體的甲基化位點數量（ng），基因下遊的甲基化位點數量（nd）。（b）反映模型準確性的工作特性曲線下面積（AUC）。真陽性率（TPR），假陽性率（FPR）
【來源：植物研究所】
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