Nucleosome remodelers of the DDM1/Lsh family are required for DNA methylation of transposable elements, but the reason for this is unknown. How DDM1 interacts with other methylation pathways, such as small-RNA-directed DNA methylation (RdDM), which is thought to mediate plant asymmetric methylation through DRM enzymes, is also unclear. Here, we show that most asymmetric methylation is facilitated by DDM1 and mediated by the methyltransferase CMT2 separately from RdDM. We find that heterochromatic sequences preferentially require DDM1 for DNA methylation and that this preference depends on linker histone H1. RdDM is instead inhibited by heterochromatin and absolutely requires the nucleosome remodeler DRD1. Together, DDM1 and RdDM mediate nearly all transposon methylation and collaborate to repress transposition and regulate the methylation and expression of genes. Our results indicate that DDM1 provides DNA methyltransferases access to H1-containing heterochromatin to allow stable silencing of transposable elements in cooperation with the RdDM pathway.

Parent-of-origin-specific (imprinted) gene expression is regulated in Arabidopsis thaliana endosperm by cytosine demethylation of the maternal genome mediated by the DNA glycosylase DEMETER, but the extent of the methylation changes is not known. Here, we show that virtually the entire endosperm genome is demethylated, coupled with extensive local non-CG hypermethylation of small interfering RNA-targeted sequences. Mutation of DEMETER partially restores endosperm CG methylation to levels found in other tissues, indicating that CG demethylation is specific to maternal sequences. Endosperm demethylation is accompanied by CHH hypermethylation of embryo transposable elements. Our findings demonstrate extensive reconfiguration of the endosperm methylation landscape that likely reinforces transposon silencing in the embryo.

Intergenerational Transposable Shutdown Transposable elements (TEs) are a potential threat, especially to the germline genome. In many eukaryotes, TEs are shut down by DNA methylation and/or small-RNA–mediated silencing. Therefore, it seems counterintuitive that results obtained by Ibarra et al. (p. 1360 ) on Arabidopsis showed that in the cells of this plant's sexual apparatus, many small TEs are demethylated by DEMETER (DME) DNA glycosylase and become activated. But it turns out that activation of the TEs triggers the formation of small-interfering RNAs, which in these experiments were seen to travel from the surrounding cells to the egg. Thus, activation of TEs in the companion cells “immunizes” the gametes via the interfering RNAs that shutdown the TEs in the gametes permanently.

Cytosine methylation silences transposable elements in plants, vertebrates, and fungi but also regulates gene expression. Plant methylation is catalyzed by three families of enzymes, each with a preferred sequence context: CG, CHG (H = A, C, or T), and CHH, with CHH methylation targeted by the RNAi pathway. Arabidopsis thaliana endosperm, a placenta-like tissue that nourishes the embryo, is globally hypomethylated in the CG context while retaining high non-CG methylation. Global methylation dynamics in seeds of cereal crops that provide the bulk of human nutrition remain unknown. Here, we show that rice endosperm DNA is hypomethylated in all sequence contexts. Non-CG methylation is reduced evenly across the genome, whereas CG hypomethylation is localized. CHH methylation of small transposable elements is increased in embryos, suggesting that endosperm demethylation enhances transposon silencing. Genes preferentially expressed in endosperm, including those coding for major storage proteins and starch synthesizing enzymes, are frequently hypomethylated in endosperm, indicating that DNA methylation is a crucial regulator of rice endosperm biogenesis. Our data show that genome-wide reshaping of seed DNA methylation is conserved among angiosperms and has a profound effect on gene expression in cereal crops.

Background: CHROMOMEHYLASE1 (CMT1) has long been considered a non-essential gene because, in certain Arabidopsis ecotypes, the CMT1 gene is disrupted by the retroelement Evelknievel (EK), inserted within exon 13, or contains frame-shift mutations resulting in a truncated, non-functional protein. Here, we wanted to explore the regulatory pathway responsible for EK silencing in the Ler ecotype and its effect on CMT1 transcription. Results: Methylome databases confirmed that EK retroelement is heavily methylated but methylation is extended toward CMT1 downstream region. Strong transcriptional activation of EK accompanied by significant reduction in non-CG methylation was found in cmt3 and kyp2, but not in ddm1 or RdDM mutants. EK activation in cmt3 and kyp2 did not interfere with upstream CMT1 expression but abolish transcription through the EK. We identified, in wild-type Ler, three spliced variants in which the entire EK is spliced out; one variant (25% of splicing incidents) facilitates proper reconstitution of an intact CMT1 mRNA. We could recover a very low amount of the full-length CMT1 mRNA from WT Ler and Col but not from cmt3 mutant. Conclusions: Our findings highlight CMT3-SUVH4/KYP as the major pathway silencing the intragenic EK via inducing non-CG methylation. Furthermore, retroelement insertion within exons (e.g., CMT1) may not lead to a complete abolishment of the gene product when the element is kept silent. Rather the element can be spliced out to bring about a reconstruction of a very low level of an intact, functional mRNA and possibly to retrieval of an active protein.

DNA methylation in plants occurs in CG, CHG, and CHH sites. While depletion of CG methylation in transposons is associated with ample transcriptional activation, it was mainly studied in species with limited non-CG methylation that is linked to CG methylation. Here we profiled transcription in the moss plant, Physcomitrella patens, that has robust non-CG methylation with similar symmetrical CG and CHG methylation levels. Separated contextual methylation mechanisms in Physcomitrella patens enabled generation of numerous context-specific hypomethylated mutants. Our transcriptome data show that specific elimination of CG methylation is fully complemented by non-CG methylation. Conversely, exclusive removal of non-CG methylation massively dysregulated genes and transposons. Moreover, CHG methylation silenced transposons stronger than CG methylation. Lastly, we found non-CG methylation as crucial for silencing CG-depleted transposons. These results demonstrate the potency of non-CG methylation in genome regulation and suggest that it evolved due to moderate silencing and/or rapid mutability of methylated CGs.

Cytosine methylome data is commonly generated through next-generation sequencing (NGS). Analyses of this data average methylation states of individual reads. We propose an alternate method of analysing single-read methylome data. Using this method, we identified patterns that relate to the mechanism of two plant non-CG methylating enzymes, DRM2 and CMT2: DRM2 has higher processivity than CMT2, and DRM2-methylated regions have higher variation among cells. Based on these patterns, we developed a classifier that predicts enzyme activity in different species and tissues. To facilitate further single-read analyses, we developed a genome browser optimised for visualising and analysing NGS data at single-read resolution.