Three DNA hypomethylation mutants of the flowering plant Arabidopsis thaliana were isolated by screening mutagenized populations for plants containing centromeric repetitive DNA arrays susceptible to digestion by a restriction endonuclease that was sensitive to methylated cytosines. The mutations are recessive, and at least two are alleles of a single locus, designated DDM1 (for decrease in DNA methylation). Amounts of 5-methylcytosine were reduced over 70 percent in ddm1 mutants. Despite this reduction in DNA methylation levels, ddm1 mutants developed normally and exhibited no striking morphological phenotypes. However, the ddm1 mutations are associated with a segregation distortion phenotype. The ddm1 mutations were used to demonstrate that de novo DNA methylation in vivo is slow.

The transition to flowering in Arabidopsis thaliana is delayed in fwa mutant plants. FWA was identified by loss-of-function mutations in normally flowering revertants of the fwa mutant, and it encodes a homeodomain-containing transcription factor. The DNA sequence of wild-type and fwa mutant alleles was identical in the genomic region of FWA. Furthermore, the FWA gene is ectopically expressed in fwa mutants and silenced in mature wild-type plants. This silencing is associated with extensive methylation of two direct repeats in the 5′ region of the gene. The late flowering phenotype, ectopic FWA expression, and hypomethylation of the repeats were also induced in the ddm1 hypomethylated background. Mechanisms for establishment and maintenance of the epigenetic mark on FWA are discussed.

The Arabidopsis FWA gene was initially identified from late-flowering epigenetic mutants that show ectopic FWA expression associated with heritable hypomethylation of repeats around transcription starting sites. Here, we show that wild-type FWA displays imprinted (maternal origin–specific) expression in endosperm. The FWA imprint depends on the maintenance DNA methyltransferase MET1, as is the case in mammals. Unlike mammals, however, the FWA imprint is not established by allele-specific de novo methylation. It is established by maternal gametophyte–specific gene activation, which depends on a DNA glycosylase gene, DEMETER . Because endosperm does not contribute to the next generation, the activated FWA gene need not be silenced again. Double fertilization enables plants to use such “one-way” control of imprinting and DNA methylation in endosperm.

We propose a model for heterochromatin assembly that links DNA methylation with histone methylation and DNA replication. The hypomethylated Arabidopsis mutants ddm1 and met1 were used to investigate the relationship between DNA methylation and chromatin organization. Both mutants show a reduction of heterochromatin due to dispersion of pericentromeric low-copy sequences away from heterochromatic chromocenters. DDM1 and MET1 control heterochromatin assembly at chromocenters by their influence on DNA maintenance (CpG) methylation and subsequent methylation of histone H3 lysine 9. In addition, DDM1 is required for deacetylation of histone H4 lysine 16. Analysis of F(1) hybrids between wild-type and hypomethylated mutants revealed that DNA methylation is epigenetically inherited and represents the genomic imprint that is required to maintain pericentromeric heterochromatin.

A number of aberrant morphological phenotypes were noted during propagation of the Arabidopsis thaliana DNA hypomethylation mutant, ddm1, by repeated self-pollination. Onset of a spectrum of morphological abnormalities, including defects in leaf structure, flowering time, and flower structure, was strictly associated with the ddm1 mutations. The morphological phenotypes arose at a high frequency in selfed ddm1 mutant lines and some phenotypes became progressively more severe in advancing generations. The transmission of two common morphological trait syndromes in genetic crosses demonstrated that the phenotypes are caused by heritable lesions that develop in ddm1 mutant backgrounds. Loss of cytosine methylation in specific genomic sequences during the selfing regime was noted in the ddm1 mutants. Potential mechanisms for formation of the lesions underlying the morphological abnormalities are discussed.

Differential cytosine methylation of repeats and genes is important for coordination of genome stability and proper gene expression. Through genetic screen of mutants showing ectopic cytosine methylation in a genic region, we identified a jmjC-domain gene, IBM1 (increase in bonsai methylation 1), in Arabidopsis thaliana. In addition to the ectopic cytosine methylation, the ibm1 mutations induced a variety of developmental phenotypes, which depend on methylation of histone H3 at lysine 9. Paradoxically, the developmental phenotypes of the ibm1 were enhanced by the mutation in the chromatin-remodeling gene DDM1 (decrease in DNA methylation 1), which is necessary for keeping methylation and silencing of repeated heterochromatin loci. Our results demonstrate the importance of chromatin remodeling and histone modifications in the differential epigenetic control of repeats and genes.

A closer look at centromeres Centromeres are key for anchoring chromosomes to the mitotic spindle, but they have been difficult to sequence because they can contain many repeating DNA elements. These repeats, however, carry regularly spaced, distinctive sequence markers because of sequence heterogeneity between the mostly, but not completely, identical DNA sequence repeats. Such differences aid sequence assembly. Naish et al . used ultra-long-read DNA sequencing to establish a reference assembly that resolves all five centromeres in the small mustard plant Arabidopsis . Their view into the subtly homogenized world of centromeres reveals retrotransposons that interrupt centromere organization and repressive DNA methylation that excludes centromeres from meiotic crossover repair. Thus, Arabidopsis centromeres evolve under the opposing forces of sequence homogenization and retrotransposon disruption. —PJH

Abstract Centromeres attach chromosomes to spindle microtubules during cell division and, despite this conserved role, show paradoxically rapid evolution and are typified by complex repeats. We used ultra-long-read sequencing to generate the Col-CEN Arabidopsis thaliana genome assembly that resolves all five centromeres. The centromeres consist of megabase-scale tandemly repeated satellite arrays, which support high CENH3 occupancy and are densely DNA methylated, with satellite variants private to each chromosome. CENH3 preferentially occupies satellites with least divergence and greatest higher-order repetition. The centromeres are invaded by ATHILA retrotransposons, which disrupt genetic and epigenetic organization of the centromeres. Crossover recombination is suppressed within the centromeres, yet low levels of meiotic DSBs occur that are regulated by DNA methylation. We propose that Arabidopsis centromeres are evolving via cycles of satellite homogenization and retrotransposon-driven diversification. One-sentence summary Long read sequencing and assembly of the Arabidopsis centromeres reveals their genetic and epigenetic topography.