近日，我校生命科學(xué)學(xué)院分子表觀遺傳學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、美國(guó)普度大學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室合作，在表觀遺傳機(jī)制調(diào)控大豆農(nóng)藝性狀方面取得重要進(jìn)展。研究人員揭示了non-CG DNA 甲基化對(duì)大豆生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的調(diào)控作用，為通過(guò)表觀遺傳操控提升大豆的產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值提供了新思路（圖1）。
圖1：Gmcmt突變體促進(jìn)大豆光合作用和固氮效率的模式圖
相關(guān)研究成果以“Non-CG DNA hypomethylation promotes photosynthesis and nitrogen fixation in soybean”為題，發(fā)表于國(guó)際知名期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）。分子表觀遺傳學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后尋紅衛(wèi)為第一作者；劉寶教授、美國(guó)普度大學(xué)馬漸新教授和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王旭彤教授為共同通訊作者。
作物育種工作的核心就是對(duì)遺傳變異進(jìn)行探索和利用，過(guò)去的100年中各種作物的育種能力均有顯著提升。雖然遺傳變異已被大量用于作物改良，但表觀遺傳變異的效用尚未得到有效應(yīng)用。表觀遺傳學(xué)是在DNA序列未改變的情況下，基因的表達(dá)卻發(fā)生改變，并且可以遺傳給后代，即未改變基因型的前提下改變表型的一種遺傳現(xiàn)象。副突變、轉(zhuǎn)基因沉默、基因印跡和轉(zhuǎn)座子失活等都是表觀遺傳典型的例子。近年來(lái)，隨著表觀遺傳學(xué)的研究逐步深入，操縱植物甲基化組產(chǎn)生具有獨(dú)特表觀遺傳修飾的個(gè)體在作物育種和科學(xué)研究方面具有重要的意義。 Non-CG DNA甲基化是一種植物特有的表觀遺傳標(biāo)記，主要由chromomethylase（CMT）調(diào)控，在擬南芥和水稻中扮演著重要角色。然而，non-CG DNA甲基化在調(diào)節(jié)作物農(nóng)藝性狀方面的作用及其影響程度仍需進(jìn)一步探索。
該研究通過(guò)應(yīng)用 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)缺失大豆中所有CMT基因功能的大豆（Glycine max）突變體系Gmcmt，這一突變體系在non-CG (CHG和CHH) DNA甲基化位點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的低甲基化，從而增強(qiáng)了染色質(zhì)的可訪問(wèn)性，并顯著調(diào)節(jié)了包括GOLDEN-LIKE10 （GmGLK10）在內(nèi)的數(shù)百個(gè)功能相關(guān)基因的表達(dá)。這些基因的表達(dá)變化不僅提高了光合作用，而且意外地提升了根瘤菌的固定效率。此外，Gmcmt還產(chǎn)生了體積更大、蛋白質(zhì)含量更高的種子（圖2）。這些分子層面的變化最終促進(jìn)了大豆種子產(chǎn)量和質(zhì)量的雙重提升，體現(xiàn)了non-CG DNA甲基化在提高作物整體產(chǎn)量中的核心功能，展示了表觀遺傳修飾在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提升大豆性狀的潛力。
圖2：Gmcmt突變體產(chǎn)生了體積更大、蛋白質(zhì)含量更高的種子
該研究得到國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金和中國(guó)博士后基金的資助。
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https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402946121
