We isolated mutations in Arabidopsis to understand how the female gametophyte controls embryo and endosperm development. For the DEMETER (DME) gene, seed viability depends only on the maternal allele. DME encodes a large protein with DNA glycosylase and nuclear localization domains. DME is expressed primarily in the central cell of the female gametophyte, the progenitor of the endosperm. DME is required for maternal allele expression of the imprinted MEDEA (MEA) Polycomb gene in the central cell and endosperm. Ectopic DME expression in endosperm activates expression of the normally silenced paternal MEA allele. In leaf, ectopic DME expression induces MEA and nicks the MEA promoter. Thus, a DNA glycosylase activates maternal expression of an imprinted gene in the central cell.

MEDEA (MEA) is an Arabidopsis Polycomb group gene that is imprinted in the endosperm. The maternal allele is expressed and the paternal allele is silent. MEA is controlled by DEMETER (DME), a DNA glycosylase required to activate MEA expression, and METHYLTRANSFERASE I (MET1), which maintains CG methylation at the MEA locus. Here we show that DME is responsible for endosperm maternal-allele-specific hypomethylation at the MEA gene. DME can excise 5-methylcytosine in vitro and when expressed in E. coli. Abasic sites opposite 5-methylcytosine inhibit DME activity and might prevent DME from generating double-stranded DNA breaks. Unexpectedly, paternal-allele silencing is not controlled by DNA methylation. Rather, Polycomb group proteins that are expressed from the maternal genome, including MEA, control paternal MEA silencing. Thus, DME establishes MEA imprinting by removing 5-methylcytosine to activate the maternal allele. MEA imprinting is subsequently maintained in the endosperm by maternal MEA silencing the paternal allele.

DNA methylation is an epigenetic mark associated with transposable element silencing and gene imprinting in flowering plants and mammals. In plants, imprinting occurs in the endosperm, which nourishes the embryo during seed development. We have profiled Arabidopsis DNA methylation genome-wide in the embryo and endosperm and found that large-scale methylation changes accompany endosperm development and endosperm-specific gene expression. Transposable element fragments are extensively demethylated in the endosperm. We discovered new imprinted genes by the identification of candidates associated with regions of reduced endosperm methylation and preferential expression in endosperm relative to other parts of the plant. These data suggest that imprinting in plants evolved from targeted methylation of transposable element insertions near genic regulatory elements followed by positive selection when the resulting expression change was advantageous.

Imprinted gene expression occurs during seed development in plants and is associated with differential DNA methylation of parental alleles, particularly at proximal transposable elements (TEs). Imprinting variability could contribute to observed parent-of-origin effects on seed development. We investigated intraspecific variation in imprinting, coupled with analysis of DNA methylation and small RNAs, among three Arabidopsis strains with diverse seed phenotypes. The majority of imprinted genes were parentally biased in the same manner among all strains. However, we identified several examples of allele-specific imprinting correlated with intraspecific epigenetic variation at a TE. We successfully predicted imprinting in additional strains based on methylation variability. We conclude that there is standing variation in imprinting even in recently diverged genotypes due to intraspecific epiallelic variation. Our data demonstrate that epiallelic variation and genomic imprinting intersect to produce novel gene expression patterns in seeds.

Abstract Seeds are the basis of agriculture, yet their full transcriptional complexity has remained unknown. Here, we employ single-nucleus RNA-sequencing to characterize developing Arabidopsis thaliana seeds, with a focus on endosperm. Endosperm, the site of gene imprinting in plants, mediates the relationship between the maternal parent and embryo. We identify new cell types in the chalazal endosperm region, which interfaces with maternal tissue for nutrient unloading. We further demonstrate that the extent of parental bias of maternally expressed imprinted genes varies with cell cycle phase, and that imprinting of paternally expressed imprinted genes is strongest in chalazal endosperm. These data indicate imprinting in endosperm is heterogeneous and suggest that parental conflict, which is proposed to drive the evolution of imprinting, is fiercest at the boundary between filial and maternal tissues.

Abstract Cytosine methylation is a reversible epigenetic modification to DNA. In plants, removal of cytosine methylation is accomplished by the four members of the DME family of 5-methylcytosine DNA glycosylases. Demethylation by DME is critical for seed development. Consequently, determining the function of the entire gene family in somatic tissues by mutant analysis has not been possible. Here, we bypassed the reproductive defects of dme mutants to create somatic quadruple homozygous mutants of the entire DME family. dme; ros1; dml2; dml3 ( drdd ) leaves exhibit hypermethylated genomes compared to both wild-type plants and rdd triple mutants, indicating functional redundancy among all four demethylases. Targets of demethylation include regions co-targeted by RNA-directed DNA methylation and, surprisingly, CG gene body methylation, indicating dynamic methylation at these little-understood sites. Additionally, many tissue-specific methylation differences are absent in drdd , suggesting a role for active demethylation in generating divergent epigenetic states across wild-type tissues. Furthermore, drdd plants display a striking early flowering phenotype, which is associated with 5’ hypermethylation and transcriptional down-regulation of FLOWERING LOCUS C . Active DNA demethylation is therefore required for proper methylation patterning across somatic tissues and defines the epigenetic landscape of both intergenic and coding regions.

Abstract The contribution of epigenetic variation to phenotypic variation is unclear. Imprinted genes, because of their strong association with epigenetic modifications, represent an opportunity for the discovery of such phenomena. In mammals and flowering plants, a subset of genes are expressed from only one parental allele in a process called gene imprinting. Imprinting is associated with differential DNA methylation and chromatin modifications between parental alleles. In flowering plants imprinting occurs in a seed tissue – endosperm. Proper endosperm development is essential for the production of viable seeds. We previously showed that in Arabidopsis thaliana intraspecific imprinting variation is correlated with naturally occurring DNA methylation polymorphisms. Here, we investigated the mechanisms and function of allele-specific imprinting of the class IV homeodomain-Leucine zipper (HD-ZIP) transcription factor HDG3 . In imprinted strains, HDG3 is expressed primarily from the methylated paternally inherited allele. We manipulated the methylation state of endogenous HDG3 in a non-imprinted strain and demonstrated that methylation of a proximal transposable element is sufficient to promote HDG3 expression and imprinting. Gain of HDG3 imprinting was associated with earlier endosperm cellularization and changes in seed weight. These results indicate that epigenetic variation alone is sufficient to explain imprinting variation and demonstrate that epialleles can underlie variation in seed development phenotypes. Author Summary The contribution of genetic variation to phenotypic variation is well-established. By contrast, it is unknown how frequently epigenetic variation causes differences in organismal phenotypes. Epigenetic information is closely associated with but not encoded in the DNA sequence. In practice, it is challenging to disentangle genetic variation from epigenetic variation, as what appears to be epigenetic variation might have an underlying genetic basis. DNA methylation is one form of epigenetic information. HDG3 encodes an endosperm specific transcription factor that exists in two states in A. thaliana natural populations: methylated and expressed and hypomethylated and repressed. We show that pure epigenetic variation is sufficient to explain expression variation of HDG3 – a naturally lowly expressed allele can be switched to a higher expressed state by adding DNA methylation. We also show that expression of HDG3 in strains where it is normally hypomethylated and relatively repressed causes a seed development phenotype. These data indicate that naturally circulating epialleles have consequences for seed phenotypic variation.

For more than 225 million years, all seed plants were woody trees, shrubs, or vines (1,2,3,4). Shortly after the origin of angiosperms ~135 million years ago (MYA) (5), the Nymphaeales (water lilies) became one of the first lineages to deviate from their ancestral, woody habit by losing the vascular cambium (6), the meristematic population of cells that produces secondary xylem (wood) and phloem. Many of the genes and gene families that regulate differentiation of secondary tissues also regulate the differentiation of primary xylem and phloem (7,8,9), which are produced by apical meristems and retained in nearly all seed plants. Here we sequence and assemble a draft genome of the water lily Nymphaea thermarum, an emerging system for the study of early flowering plant evolution, and compare it to genomes from other cambium-bearing and cambium-less lineages (like monocots and Nelumbo). This reveals lineage-specific patterns of gene loss and divergence. Nymphaea is characterized by a significant contraction of the HD-ZIP III transcription factors, specifically loss of REVOLUTA, which influences cambial activity in other angiosperms. We also find the Nymphaea and monocot copies of cambium-associated CLE signaling peptides display unique substitutions at otherwise highly conserved amino acids. Nelumbo displays no obvious divergence in cambium-associated genes. The divergent genomic signatures of convergent vascular cambium loss reveals that even pleiotropic genes can exhibit unique divergence patterns in association with independent trait loss events. Our results shed light on the evolution of herbaceousness,which is one of the key biological innovations associated with the earliest phases of angiosperm evolution.

Summary Endosperm is a key evolutionary innovation associated with the origin of angiosperms (flowering plants). This altruistic seed tissue supports the growth and development of the embryo by mediating the relationship of the mother plant as a nutrient source to the compatriot embryo as a nutrient sink. The endosperm is the primary site of gene imprinting in plants (where expression of an allele depends on which parent it was inherited from) and of parent-specific epigenetic modifications like DNA methylation, which are differentially patterned during male and female gamete development 1,2,3,4 . Knowledge of endosperm gene imprinting and epigenetic patterning is derived from experiments performed in a phylogenetically-wide array of monocot and eudicot plants 5,6 . However, information from angiosperm lineages whose origins predate the monocot-eudicot divergence (such as Nymphaeales, water lilies) is extremely limited. Additionally, Nymphaeales are an intriguing lineage to investigate seed genetic and epigenetic phenomena, as it is characterized by diploid endosperm and a maternal storage tissue (perisperm), both of which are unusual across angiosperm diversity 7,8,9,10,11,12 . Here, we examined DNA methylation and genetic imprinting using two reproductively compatible water lily sister-species, Nymphaea thermarum and N. dimorpha . Our results suggest that endosperm hypomethylation and maternally-expressed imprinted genes are an ancestral condition for endosperm, and that other seed characters like seed provisioning strategies, endosperm ploidy, and paternally-expressed imprinted genes might have evolved as coinciding, opposing strategies in the evolutionary dialogue over parental control of offspring development.