转座子介导的NAC20/26基因母源印记调控水稻籽粒灌浆的分子机制与驯化适应意义

《Journal of Integrative Plant Biology》：Transposable element-mediated DNA methylation of the NAC20 and NAC26 promoters led to a maternal effect on grain filling

本文揭示了水稻中NAC20和NAC26转录因子通过转座子（TE）介导的DNA甲基化实现母源印记表达（MEG），从而调控籽粒灌浆的分子机制。研究发现，在粳稻（Japonica）品种中，NAC20/26启动子区的TE插入导致父源等位基因高甲基化沉默，使其呈现母源特异性表达；通过基因编辑（CRISPR/Cas9）删除这些TE可恢复双等位基因表达，并消除粉质胚乳（floury endosperm）表型的母系遗传效应。地理分布分析进一步表明，该TE插入事件与粳稻向高纬度地区（>33°N）的驯化扩张密切相关，为理解表观遗传调控在作物适应性进化中的作用提供了新视角。

　　

引言

亲本来源效应通常由母源或父源等位基因的选择性表达引起。尽管基因组学研究提示印记基因表达主要发生在植物的胚乳中，但关于等位基因特异性表达及其与亲本来源表型关联的深入研究仍较为缺乏。NAC20和NAC26（后文合称NAC20/26）是一对紧密连锁的NAC家族转录因子，在水稻胚乳中冗余调控籽粒灌浆和清蛋白积累。本研究旨在阐明NAC20/26如何通过等位基因特异性母源表达调控籽粒灌浆，并探讨其表观遗传调控机制及其在水稻驯化适应中的意义。

NAC20/26在ZH11中以母源效应调控籽粒灌浆

在粳稻品种ZH11中，NAC20/26双敲除突变体（nac20/26^ZH11）表现出粉质胚乳表型，这是由于淀粉和清蛋白积累减少导致的籽粒灌浆缺陷。遗传杂交实验表明，当nac20/26^ZH11作为母本与ZH11杂交（nac20/26^ZH11× ZH11）或自交时，所有籽粒均呈现粉质胚乳；反之，当ZH11作为母本与nac20/26^ZH11杂交（ZH11 × nac20/26^ZH11）时，籽粒表型正常。在NAC20或NAC26杂合突变体的杂交中，正常与粉质胚乳籽粒呈现1:1的分离比，表明NAC20/26以配子体母源效应冗余调控籽粒灌浆。

NAC20和NAC26是等位基因特异性母源表达基因（MEG）

母源效应表型通常由母源表达基因（MEG）控制。通过等位基因表达分析发现，在ZH11与nac20/26^ZH11的正反交胚乳中，NAC20/26的母源等位基因占主导表达。利用ZH11与籼稻（Indica）品种NJ6之间的单核苷酸多态性（SNP）进一步验证，当NJ6作为母本与ZH11杂交（NJ6 × ZH11）时，仅检测到母源NJ6等位基因的表达；而当ZH11作为母本与NJ6杂交（ZH11 × NJ6）时，则检测到双亲等位基因的表达，表明NAC20/26在粳稻中为等位基因特异性MEG。在另两个粳稻品种（NIP）和籼稻品种（NJ6、9311）中构建nac20/26双突变体，仅在粳稻背景中观察到母源效应，证实该现象具有亚种特异性。

差异DNA甲基化与NAC20/26母源特异性表达相关

等位基因特异性表达常与亲本特异性DNA甲基化相关。全基因组甲基化测序数据显示，在ZH11中，NAC20和NAC26启动子区的差异甲基化区域（DMR）在胚乳中低甲基化，而在胚胎中高甲基化。通过亚硫酸氢盐测序发现，与胚胎相比，胚乳中NAC20-DMR和NAC26-DMR在所有甲基化上下文（CG、CHG、CHH）中均呈现低甲基化状态。利用亲本特异性SNP分析ZH11与NJ6正反交胚乳的DMR甲基化水平，发现当ZH11作为父本时，其等位基因的DMR呈现高甲基化；而NJ6等位基因的DMR在任何杂交组合中均保持低甲基化。在多个品种中比较甲基化水平，证实粳稻品种（ZH11、NIP）的DMR甲基化水平显著高于籼稻品种（NJ6、9311），提示等位基因特异性表达与父源等位基因高甲基化相关。

删除NAC20/26侧翼转座子（TE）导致双等位基因表达

DNA高甲基化常发生于转座子（TE）及其侧翼区域。基因组分析发现，在ZH11的NAC20启动子区存在一个MITE家族TE（ORSgTEMT00101054），在NAC26启动子区存在两个串联重复的逆转录TE（ORSiTEMT00T00140）。PCR检测表明，这些TE仅存在于粳稻品种（ZH11、NIP）中，而在籼稻品种（NJ6、9311）中缺失。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术同时删除ZH11中NAC20和NAC26启动子区的TE（获得NAC20/26^△TE株系）后，DMR的甲基化水平显著降低。遗传杂交实验表明，以NAC20/26^△TE作为父本与nac20/26^ZH11杂交时，籽粒不再出现粉质胚乳，且父源等位基因恢复表达，证明TE介导的DNA高甲基化是父源等位基因沉默和母源印记表达的必要条件。

NAC20/26中的TE与粳稻北向扩张相关

表达分析显示，NAC20/26在胚乳中特异性表达，且TE删除不改变其表达模式。对172个水稻品种的TE分布进行地理分析发现，大多数粳稻品种在NAC20（65.38%）、NAC26（84.63%）或两者（53.85%）中存在TE插入，而籼稻品种中比例极低（NAC20为14.58%，NAC26为5.21%，两者均为2.08%）。在中国种植区分布上，所有来自北纬33°以北的东北地区品种均在NAC20/26中携带TE，而低纬度地区品种的TE分布则呈现混合状态，提示TE介导的等位基因特异性表达与粳稻向高纬度地区的驯化扩张相关。

讨论

本研究首次证实了TE介导的DNA甲基化直接导致NAC20/26父源等位基因沉默，从而建立其母源印记表达模式，并调控籽粒灌浆的母系遗传。该机制在粳稻中的特异性存在可能与其向高纬度环境的适应有关。不同于经典的RdDM（RNA-directed DNA methylation）途径，NAC20/26的TE甲基化可能通过独立机制实现。这一发现为理解表观遗传变异在作物驯化中的贡献提供了新的案例，并提示中性进化理论可能部分解释印记基因的起源。未来研究可进一步探讨NAC20/26印记表达对稻米品质和环境适应的具体影响。