DNA methylation dynamics and effect of DEMETER DNA demethylase during Arabidopsis regeneration

Abstract

Plant regeneration, a process that undergoes de-differentiation from already specialized tissue followed by re-differentiation, involves the remarkable process of cell fate transition, requiring DNA methylation reprogramming. This study explores DNA methylation dynamics during regeneration across leaf, callus, and de novo shoot stages in Arabidopsis Ler wild type. Differentially methylated regions (DMRs) were identified, with distinct patterns observed in different cytosine contexts, (CG, CHG, and CHH) during these cell fate changes. The effect of DEMETER (DME), a DNA demethylase involved in endosperm-specific hypomethylation compared to embryo, was also investigated in each stage. Intriguingly, dme-2 mutants exhibited increased callus and de novo shoot formation, accompanied by consistently lower methylation levels compared to the wild type, especially in non-CG contexts. Gene expression analysis revealed reduced expression of some key RNA-directed DNA methylation(RdDM) pathway genes in dme-2 mutants, potentially contributing to decreased DNA methylation during regeneration. This study sheds light on the role of DNA methylation during Arabidopsis regeneration, particularly the role of DME in this process.

식물은 전형성능력을 가지고 있어서 이미 분화가 된 조직으로부터 탈분화와 재분화 과정을 거쳐 다시 새로운 개체를 형성할 수 있고, 이를 식물 재생이라고 한다. 대표적인 모델식물인 Arabidopsis thaliana에서의 식물 재분화 과정에 대한 연구는 잎에서 캘러스로의 탈분화 전이 과정에 한정되어 있는 편이다. 본 연구는 식물 재생 과정 동안의 DNA methylation 역동성을 알아보고자 한다. 잎, 캘러스, de novo shoot 세 단계의 식물 재생 과정 동안 DNA methylation 변화는 cytosine context (CG, CHG, CHH) 별로 양상이 다르게 나타났다. 이를 differentially methylated regions (DMRs)을 계산을 통해 hypermethylation된 지역과 hypomethylation된 지역의 비율을 알아보았다. 추가적으로 DEMETER (DME)의 돌연변이인 dme-2에서 WT보다 캘러스와 de novo shoot 형성이 많이 일어나는 것을 DNA methylation과 연관지어 알아보고자 한다. 식물재생 과정동안 wild-type에 비해 dme-2의 모든 과정에서 methylation level이 감소하였다. 이는 dme-2가 비효율적인 RNA-directed DNA methylation (RdDM) 효과를 일으킬 가능성이 있다. 이를 확인하기 위해 RdDM pathway와 관련된 주요 유전자들의 RNA 발현을 확인해보았다. dme-2의 de novo shoot에서 RdDM 관련 유전자들의 발현이 감소한 것을 확인했고, 이는 dme-2의 식물재생 과정에서 DNA methylation이 증가한 것과 연관이 있을 수 있다. 나는 추가적인 연구를 통해 식물재생 과정동안의 DNA methylation 변화의 의미와, dme-2에서 methylation 변화와 표현형의 연관성에 대해 알아보고자 한다.