企业官网建设流程全解析

DNA methylation dynamics: patterns, regulation, and function

DNA 甲基化动态：模式、调控与功能

表观组作为基因组与环境之间至关重要的媒介，在植物生存与旺盛生长过程中发挥关键作用。同一植株所有细胞核的 DNA 序列完全一致，但细胞对基因组信息的解读受空间位置与环境背景共同调控。植物表观遗传学领域发展迅猛，一系列突破性发现重塑了人们对植物调控基因表达、适应环境变化以及维持基因组稳定性机制的认知。同时，技术革新极大提升了表观组精准解析能力，使研究者能够以前所未有的广度解析表观组的生物学功能。本文重点综述最新研究进展，围绕 DNA 甲基化精细调控平衡、多层次动态调控机制，以及不同植物物种间 DNA 甲基化变异的功能与进化意义展开论述。解析 DNA 甲基化变异，有助于阐明植物表观遗传机制如何调控基因表达、基因组结构、生长发育以及环境应答过程。

引言

DNA 甲基化（即 5 - 甲基胞嘧啶）是一类表观遗传修饰标记，在真核生物基因组稳定性、基因调控、生长发育与环境响应过程中发挥核心功能。植物 DNA 甲基化在甲基化序列背景、基因组分布位置与遗传稳定性方面均与动物存在明显差异。植物 DNA 甲基化存在三种序列背景：CG、CHG 与 CHH（H 代表 A、T、C），大量富集于转座子区域；基因相关甲基化多为基因体甲基化（gbM），特征为基因内部广泛存在 CG 甲基化修饰 [1,2]。DNA 从头甲基化由重排结构域甲基转移酶 DRM2（DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 2）通过 RNA 介导的 DNA 甲基化通路（RdDM）起始建立 [1,2]。细胞分裂过程中，甲基化模式依靠不同酶维持：MET1（METHYLTRANSFERASE 1）负责维持 CG 甲基化；CMT3（CHROMOMETHYLASE 3）维持 CHG 甲基化；异染色质区域不对称 CHH 甲基化由 CMT2 维持，常染色质 CHH 甲基化依靠 DRM2 维持。CMT2/3 与组蛋白 H3 第 9 位赖氨酸（H3K9）甲基转移酶 SUVH4/5/6（SUPPRESSOR OF VARIEGATION 3–9 HOMOLOG 4、5、6）形成正向自反馈环路，共同维持 CHG 与 CHH 甲基化。 新生隐球菌及浮萍（Spirodela polyrhiza）丢失了从头甲基化通路，但依然能够稳定传代维持 DNA 甲基化 [3,4]；拟南芥在丢失非 CG 甲基化与 H3K9 甲基化修饰后，可通过不依赖 RdDM 的途径重建甲基化修饰 [5]，上述证据凸显 DNA 甲基化稳定维持机制在植物中的重要性。然而拟南芥自然群体中广泛存在甲基化变异，说明环境因素与随机事件均可驱动甲基化水平改变 [6]。近年来，植物 DNA 甲基化变异相关研究大量涌现，揭示了复杂的甲基化模式，并在多个物种中证实其重要生物学功能。本综述聚焦植物 DNA 甲基化动态调控领域最新进展，从适应性与进化角度探讨甲基化变异的生物学意义。

植物生命周期中的 DNA 甲基化动态

DNA 甲基化稳态贯穿植物整个生命周期，是基因正常调控的基础。在生殖细胞发育阶段，甲基化重编程依靠从头甲基化通路实现：CG 甲基化水平下调，同时 SNF2 类染色质重塑因子 CLSY3（CLASSY3）呈现组织特异性表达，促进花粉与胚珠中小干扰 RNA（siRNA）生成，进而调控配子甲基化水平 [7,8]（图 1a）。拟南芥卵细胞中，DRM2 负责建立 CHH 甲基化；与之相反，中央细胞中 DNA 去甲基化酶 DME（DEMETER）介导大规模 DNA 去甲基化（图 1a）。与拟南芥类似，水稻卵细胞中转座子区域富集 CHH、CHG 甲基化，而基因区域甲基化通过主动去甲基化完成重编程 [9]。相较于营养核，拟南芥精子细胞 CG、CHG 甲基化水平更高，CHH 甲基化水平更低 [10]；水稻精子细胞相比小孢子，非 CG 甲基化水平下降 [11]。近期研究在地钱（Marchantia polymorpha）精子细胞中发现两轮大规模甲基化重编程：第一轮建立非 CG 甲基化；第二轮特异性提升基因区 N4 - 甲基胞嘧啶修饰，该修饰对地钱育性与胚胎发育不可或缺 [12]。以上结果表明，不同繁殖策略的植物演化出物种特异性甲基化模式。

图 1 植物生命周期中的 DNA 甲基化动态

以拟南芥为代表，植物全生命周期的 DNA 甲基化模式存在动态变化，涵盖受精前胚珠与花粉的配子阶段 (a)、胚胎发生期 (b)、营养生长阶段 (c) 直至器官衰老阶段 (d)。 缩写注释：DME——DEMETER DNA 去甲基化酶；CLSY3——CLASSY3 染色质重塑因子；RdDM——RNA 介导的 DNA 甲基化通路；DRM2—— 重排结构域甲基转移酶 2；FLC—— 开花位点 C；mat—— 母本基因组；pat—— 父本基因组；zyg—— 合子基因组。 本图基于 BioRender 绘图素材修改绘制（Zhong X., 2025；绘图链接：https://BioRender.com/f9dyeyx）。

与拟南芥类似，水稻合子中双亲等位基因存在甲基化差异；父本等位基因会发生甲基化重编程，甲基化模式向母本对齐，以此保障早期胚胎基因正常表达 [13]。胚胎发育过程中，异染色质区域整体 CHH 甲基化水平逐步升高，抑制转座子（TE）激活 [14]（图 1b）。被子植物胚乳的双亲等位基因甲基化差异显著，这也是植物基因组印记形成的分子基础。拟南芥、水稻研究证实，母本等位基因发生去甲基化，驱动母源表达基因表达；玉米中也存在相同规律 [15]。但父源表达基因的母本等位基因沉默机制更为复杂：不同亲本等位基因分别依赖 DNA 甲基化、多梳抑制复合物 2（PRC2）介导的组蛋白 H3 第 27 位赖氨酸甲基化共同调控（综述见参考文献 [16]）。这套精密调控机制体现了基因组印记的复杂性，也揭示多种表观因子协同调控被子植物胚乳基因表达。

DNA 甲基化是植物正常发育不可或缺的修饰；若甲基化完全缺失，植株茎尖分生组织发育紊乱、根细胞分化异常 [17]。近期研究发现转录因子 WUSCHEL（WUS）可与小 RNA 装载蛋白 AGO4 互作，诱导甲基化修饰沉默 WUS 下游分生组织调控基因，促进茎器官分化 [18]。与之相反，茎尖分生组织内高浓度超氧化物可激活 DNA 去甲基化酶 ROS1，对 ** 拟南芥应答调节因子 12（ARR12）** 启动子去甲基化；ARR12 是 WUS 上游转录因子，其激活能够维持茎干细胞特性 [19]。莲座叶、茎生叶等营养组织中非 CG 甲基化水平偏低，DNA 去甲基化酶会主动去除开花位点 C（FLC）等发育基因的甲基化修饰，调控营养生长向生殖开花转换 [20]（图 1c）。植物衰老过程中，叶片等体细胞近着丝粒区域 CG 甲基化水平逐步下降，根源是 MET1 转录受到抑制 [21]（图 1d）。这种衰老伴随的甲基化衰减现象在拟南芥自然生态型中普遍存在，说明 DNA 甲基化可作为植物衰老分子标记。与一年生拟南芥不同，多年生植物会经历多轮生命周期，衰老进程更为平缓，是解析表观调控参与植物衰老的理想材料 [22]。

DNA 甲基化动态的调控机制

DNA 甲基转移酶与 DNA 去甲基化酶是塑造植物甲基化变异的核心遗传元件。拟南芥全部甲基转移酶敲除株系体内 DNA 甲基化完全消失；而四种去甲基化酶同时突变后，基因与转座子区域会发生广泛高甲基化 [17,20]。将 met1 突变体与野生型回交构建表观重组自交系后发现：子代不仅继承突变亲本的甲基化缺失模式，原本双亲均无甲基化的位点还会从头建立 CG 甲基化 [23]。多代繁育的 ros1 去甲基化突变株会在大量基因座累积甲基化修饰，且高甲基化位点与亲本 ros1 株存在明显区别 [24]。上述结果证明，甲基化通路相关基因突变是自然群体甲基化多样性的起源。 此外，细胞周期核心抑制复合物 DREAM 的亚基 TCX5/6（含 TESMIN/TSO 样 CXC 结构域蛋白 5、6）可抑制 MET1 与 CMT3 转录，维持甲基化稳态，保障细胞有序分裂 [25]。

不同植物物种所携带甲基转移酶种类存在分化，其中负责非 CG 甲基化的染色质甲基转移酶（CMT 家族）差异最为突出，造就各物种独特甲基化景观 [1,2,26]（图 2a）。近期结构与生化研究揭示了一种全新底物识别机制：植物甲基转移酶通过扭曲 DNA 双链实现分型特异性甲基化修饰（图 2b）。DRM2 催化环插入 DNA 双链造成底物构象扭曲，其靶标识别结构域通过形状互补适配拓宽的 DNA 大沟，特异性介导 CHH 位点甲基化 [27,28]；而哺乳动物同源酶 DNMT3A 仅依靠碱基序列识别底物，二者机制截然不同。CMT3 结合 DNA 时同样大幅扭曲双链，形成疏水微环境特异性识别半甲基化 DNA，弱化胞嘧啶 + 1 侧翼序列对 CHG 甲基化的限制作用 [29,30]（图 2c）。高等被子植物 CM2 与 CM3 识别 CHG 的关键氨基酸残基发生分化，使 CMT2 专一调控 CHH 甲基化 [26]（图 2a–c）。以上研究证明：依赖 DNA 空间构象的底物识别是植物调控 DNA 甲基化的新型分子途径。

图 2 DNA 甲基化变异的形成因素

(a) 绿色植物（从绿藻到被子植物）中 DNA 甲基转移酶的演化出现（左图）；被子植物旁系同源染色质甲基转移酶经由全基因组复制（WGD）事件发生分化（右图）。“+” 代表该植物类群存在对应甲基转移酶，“−” 代表缺失。右图改编自 Jiang 等人 2024 年《Science Advances》文献 [26]，依据 CC BY 4.0 协议共享：https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。 (b) 植物与哺乳动物 DNA 甲基转移酶底物识别机制差异。结构模型改编自 Fang 等人 2021 年《Science Advances》文献 [27]。© 原作者保留部分权利；AAAS 独家授权，依据 CC BY-NC 4.0 协议共享：http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/，经 AAAS 许可转载。 (c) 两类旁系同源染色质甲基转移酶分别介导 CHG、CHH 甲基化的机制差异。结构模型改编自 Fang 等人 2022 年《Nature Communications》[29] 与 Jiang 等人 2024 年《Science Advances》[26]，依据 CC BY 4.0 协议共享。 (d) DDM1 介导 DNA 甲基化的作用模式图。缩写注释：CMT2/3 染色质甲基转移酶 2/3；DNMT3 DNA 甲基转移酶 3；DRM2 重排结构域甲基转移酶 2；MET1 甲基转移酶 1；MTase 甲基转移酶结构域；CD 染色质结构域；BAH 溴邻同源结构域；mya 百万年前；TRD 靶标识别结构域；DDM1 DNA 甲基化降低蛋白 1。本图基于 BioRender 素材绘制（钟雪，2025）；链接：https://BioRender.com/rg7lv1s、https://BioRender.com/qmp2jxz。

组蛋白修饰显著调控 DNA 甲基化，典型代表为 SUVH4/5/6 介导 H3K9me1/2 修饰与 CMT2/3 催化非 CG 甲基化形成正向自反馈环路。最新研究表明，当组蛋白 H3 第 18 位赖氨酸乙酰化（H3K18ac）紧邻 H3K9me2 修饰时，会抑制 CMT3 激活，进而调控 CHG 甲基化水平 [29]（图 2c）。此外，CG 甲基化与非 CG 甲基化之间存在相互调控；亲本丢失异染色质非 CG 甲基化后残留的 CG 甲基化，可促使 F1 子代重新恢复 CHG 与 CHH 甲基化 [31]。不同植物基因组序列特征塑造差异化甲基化模式，例如水稻基因组富含 GC 富集区段，这类区域非 CG 甲基化水平更高 [32]。上述结果表明多种表观标记相互交织，共同塑造表观组景观。 核小体重塑因子 DDM1（DNA 甲基化降低蛋白）是维持异染色质区域 DNA 甲基化的关键元件。近期结构生物学研究证实，DDM1 能够在 DNA 复制过程中维持异染色质特征。DDM1 首先结合组蛋白 H4 尾部与 DNA，重塑核小体结构，提升含 H2A.W 变体的异染色质核小体 DNA 柔性；随后 ATP 水解促使 DDM1 构象闭合，沿核小体滑动发挥功能 [33,34]。与此同时，DDM1 介导 H3.1 组蛋白组装形成异染色质核小体，促进连接组蛋白 H1 解离、清除异染色质 R 环 [35–37]，使甲基转移酶能够结合染色质，维持 DNA 甲基化（图 2d）。另外，CLASSY 家族染色质重塑因子存在组织特异性表达，通过生成 24 nt 小干扰 RNA 塑造组织特异性甲基化模式 [8]。综上，染色质微环境通过调控甲基化修饰的建立，维持全基因组甲基化稳态。

DNA 复制过程中甲基化维持机制发生差错，会产生可稳定遗传的自发性甲基化变异，即表观突变。表观突变并非完全随机；表观突变高发位点（表观突变热点）由该区域甲基化水平与其他异染色质标记共同决定 [38-41]。CG 位点表观突变可自发、快速且可遗传累积，基于该特征可构建植物表观分子钟，用于解析近缘分化物种间系统发育关系 [42]。地理环境同样重塑甲基化景观，造成拟南芥自然群体内部甲基化分化 [43]（环境与 DNA 甲基化的复杂互作综述见文献 [44]）。拟南芥 Col-0 与 Cvi-0 生态型对比发现，两类生态型特有转座子与结构变异区域被 RdDM 通路高度甲基化，证明这些变异驱动自然群体甲基化分化 [45]。 群体甲基化变异同样发生在 H3K9 去甲基化酶 IBM1 基因座：IBM1 第 7 内含子的甲基化精准调控自身表达，平衡全基因组 H3K9 甲基化。例如 Cnt-1 等生态型该内含子甲基化水平偏低，同时基因体甲基化（gbM）区域出现大量异位非 CG 甲基化 [46]，说明非 CG 甲基化与 H3K9 甲基化的交叉调控是甲基化变异的重要来源。

DNA 甲基化动态的进化意义

基因组稳定性与演化

甲基化变异可作为缓冲机制，维持染色质稳态，保障基因组正常调控。拟南芥自然生态型中，异染色质甲基化水平降低时，原本常染色质上的基因体甲基化模式向转座子类似的异染色质甲基化模式转换，引发基因转录沉默 [38]。拟南芥突变累积株系中，自发表观突变热点集中于维持中等甲基化稳态的基因体甲基化基因 [40]，印证甲基化平衡具备重要进化价值。拟南芥 Col-0 着丝粒由高密度 CEN180 串联重复序列构成；相邻近着丝粒区域高度甲基化，避免减数分裂时着丝粒区域产生 DNA 双链断裂 [47]，凸显甲基化对基因组稳定性的保护作用。近期表观组编辑研究利用 DNA 甲基化的沉默特性，靶向沉默基因上异位插入的 CEN180 重复序列，为创制位点特异性表观等位基因提供新思路 [48]。

全基因组复制事件在植物演化进程中频繁发生。裸子植物最新研究发现，大量复制基因出现甲基化分化，并伴随表达量差异；复制拷贝若发生 CG 低甲基化或 CHG/CHH 高甲基化，转录水平通常下调，提示 DNA 甲基化能够限制基因组复制后基因功能冗余 [49]。被子植物中，全基因组复制产生的旁系同源基因多发生 CG 甲基化分化，而单基因串联复制产生的同源拷贝主要表现为非 CG 甲基化变异，说明 DNA 甲基化能够精细调控基因组倍增后的基因剂量平衡 [50]。有趣的是，CMT2 起源于类似 CMT3 的祖先蛋白，在被子植物起源时发生亚功能分化，与 CMT3 协同维持 CHH 甲基化 [26]，伴随着被子植物基因组扩张，进一步强化异染色质沉默效应。

表型多样性与环境适应

自然植物群体广泛存在甲基化变异，是遗传突变、随机事件与环境共同作用的累积结果。这类甲基化修饰可跨代遗传，形成表观等位基因；同一基因在群体内拥有不同甲基化状态，进而塑造表型多样性。研究已筛选获得 3 个 CMT2 甲基转移酶结构域发生突变的拟南芥自然生态型，突变直接改变基因组 CHH 甲基化水平，证明甲基化变异参与环境适应性演化 [26,51]。例如来源于青藏高原的拟南芥生态型 Lhasa-0，其 CMT2 编码区存在终止突变，相比 Col-0 全基因组 CHH 甲基化水平下降；该生态型耐热、抗紫外 B 辐射特性与 cmt2 突变体相近 [26]。紫外胁迫诱导的部分 CHH 低甲基化位点恰好为 CMT2 靶位点 [52]，证实 CMT2 介导的 CHH 甲基化调控植物胁迫抗性。喜马拉雅西段不同海拔拟南芥生态型甲基化组分析显示，高海拔种群普遍发生 DNA 低甲基化，这可能是植物应对极端环境的重要适应性策略 [53]。

拟南芥自然生态型各类非编码 RNA 基因甲基化分化显著：相较于蛋白编码基因，非编码 RNA 通常 CG 甲基化更低、非 CG 甲基化更高；但三类背景总甲基化水平均低于转座子 [54]。地理分化驱动非编码区甲基化变异，产生适应性表型；例如调控开花时间的 miR157a 表观等位基因在拟南芥群体中介导花期分化 [54]。棉花纤维性状表观全基因组关联分析检测到蛋白编码基因与长非编码 RNA 上大量 CG 甲基化位点分化 [55]，进一步证明甲基化变异塑造表型多样性。

除自然选择外，驯化是塑造植物表观组的强大驱动力。玉米自交系 GWAS 研究发现，玉米 CMT2 同源基因 ZMET2 的 3'UTR 单核苷酸变异引发甲基化改变，调控苞叶层数 [56]，这类甲基化变异大概率是驯化选择的产物。栽培稻群体研究显示，** 获得性耐寒基因 1（ACT1）** 启动子发生 DNA 低甲基化能够提升耐寒性，助力水稻种植范围向北扩张 [57]，直观体现表观修饰介导环境适应性演化。野生稻与栽培稻对比表明，驯化过程中关键驯化基因甲基化水平下降，改变基因表达，定向培育人类所需农艺性状 [58]。与之相反，生菜驯化过程伴随全局甲基化上升 [59]，说明甲基化变异存在物种特异性，与驯化目标性状紧密关联。

物种形成与分化

长期存在假说：5 - 甲基胞嘧啶自发脱氨基生成胸腺嘧啶，诱发 DNA 错配或 SNP，可为物种分化提供遗传变异素材 [60]。演化进程十分缓慢，解析甲基化如何调控物种分化存在难度，但近年研究逐步揭开相关机制。玉米自交系研究发现近交衰退与 DNA 甲基化升高显著关联；抑制甲基化可逆转衰退表型，直接证明甲基化变异调控群体遗传多样性 [61]。转座子能够在着丝粒区域快速扩增与清除，引入序列多样性，驱动物种分化 [62]。拟南芥着丝粒卫星序列 AtCEN178 多态性能够促进 DNA 甲基化与异染色质沉默，抑制减数分裂重组交换，维持染色体稳定 [63]。综上，着丝粒区域甲基化变异显著影响染色体分离与减数分裂重组，提升种内多样性，推动物种形成。

总结与展望

本综述系统梳理了植物 DNA 甲基化稳态相关研究进展，涵盖动态调控机制，以及甲基化变异的生物学功能与进化意义。甲基化变异属于天然表观变异；表观突变累积速度快于序列突变，使植物能够更快适应多样环境，是植物应对环境波动、维持生存的重要保障。但复杂环境因子调控甲基化变异的分子网络尚不清晰，有待持续深入挖掘。跨植物支系解析甲基化变异的进化意义，有助于阐明表观机制如何塑造植物多样性与环境适应性。后续整合环境因子、表观突变速率、近缘物种系统发育关系的研究，将揭示保守与分化的甲基化模式及其功能价值。

未来研究需要重点关注表观记忆与 DNA 甲基化修饰的跨代遗传问题。明确不同环境、不同世代下甲基化修饰的稳定性，将为植物育种与种质资源保护提供重要理论支撑。 表观组编辑技术为创制表观等位基因提供有力手段，适用于繁殖速度快、表观突变速率各异的物种。借助该技术可解析甲基化变异在物种演化与分化中的功能。单细胞甲基化组等新兴表观组技术的发展，能够在组织与发育时空维度精细解析 DNA 甲基化动态。同时，甲基化调控机制的理论成果可应用于作物改良；表观组编辑有望培育抗生物 / 非生物胁迫、生长速率提升、营养品质改良的新型作物。

总而言之，演化进程虽然缓慢，但前沿研究不断证实 DNA 甲基化是塑造遗传多样性、驱动演化变革的重要力量。后续融合环境因素、演化历史与表观编辑技术的多层次研究，将进一步加深我们对该调控网络的理解。