近日，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室周少立課題組在Genome Biology上發表了題為“DNA methylation dynamics play crucial roles in shaping the distinct transcriptomic profiles for different root-type initiation in rice”的研究論文。該研究中，作者系統描繪了水稻不同類型根原基起始過程中的轉錄組及DNA甲基化組動態變化過程，挖掘了該變化在塑造水稻不同類型根起始過程中發揮的關鍵作用。該研究增進了人們對水稻原基起始機制的理解，揭示了不同根起始機制的異質性，為進一步研究作物根系發育及其改良提供了重要資源。

植物根系是固定植物并從土壤中吸收水分和養分的重要營養器官。水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays）和小麥（Triticum aestivum）等谷類作物具有由主根（PR）、冠根（CRs）和側根（LRs）組成的須根系。主根是由胚根（ER）發育而來，冠根起源于胚芽鞘節間的類周皮細胞 (pericycle-like cells)，而側根起源于冠根或主根的周皮細胞。這三種根系起源于不同類型的細胞，暗示了其起始機制存在多樣性。目前，不同根起始機制異質性尚未得到充分研究。

研究團隊對三種根起始發育階段進行了精細劃分：S0、S1、S2和S3。S0對應未分化的細胞；S1包含新形成的初始細胞簇（未出現明顯細胞分化）；S2對應尚未突破表皮的初生根（已出現明顯細胞分化）；S3時期則對應正突破表皮的初生根，此時的細胞層次進一步發育且結構更加完善。研究人員通過顯微切割聯合微量組學技術捕獲和分析了三種根起始過程中的轉錄組和DNA甲基化組數據。研究結果表明，在根系的起始過程中，轉錄組調控模式存在顯著差異，冠根和側根起始過程中存在明顯的轉錄激活，而胚根起始過程中基因組受到明顯抑制。此外，研究人員發現這些轉錄激活受到CHH甲基化動態調控，并且與功能基因啟動子區域內的短轉座子元件顯著相關。

圖1. 水稻不同根原基起始調控模式存在顯著異質性

由于CHH甲基化是受甲基轉移酶或者去甲基化酶動態調控的，為了揭示根系起始過程中CHH甲基化變化的機制，研究團隊對與DNA甲基化相關基因的轉錄譜進行考察，發現DNG702的激活和DRM2的抑制在冠根和側根的DNA甲基化減少中發揮作用。進一步，研究人員發現DNG702的點突變體（ta2）和DRM2的過表達均影響水稻冠根和側根的起始。并且DNG702和DRM2可以協同調控冠根和側根初生中關鍵基因的激活。

綜上所述，該研究對水稻三種不同根起始過程中的轉錄組和表觀組進行了系統全面的描繪和分析。發現細胞重編程，包括基因轉錄和DNA甲基化，對每種根系來說都是獨特的。CHH甲基化動態變化，特別是影響啟動子區域內短轉座元件上DNA甲基化的變化，在塑造根系發育關鍵基因的時空轉錄模式方面發揮了關鍵作用。研究中呈現的數據加深了人們對不同根原基形成機制的理解，為進一步揭示根起始的本質提供了新的見解。

圖2. DNG702和DRM2參與水稻冠根和側根起始的模型

華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北省洪山實驗室已畢業蔣瑋博士和博士研究生周舟為文章第一作者，周少立教授為通訊作者，趙毓教授為本研究提供了大量指導和幫助。碩士研究生李曉瑩也參與了該研究工作。該研究得到國家自然科學基金項目、湖北省創新群體基金、中央高校團體培育項目和湖北洪山實驗室啟動經費支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1186/s13059-025-03571-0