表观遗传指基因组上不是由DNA编码但可遗传的遗传信息，包括三维基因组、染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA和RNA修饰等方面。表观遗传在调控植物生长发育和环境适应性方面起着重要作用。番茄和马铃薯作为茄科植物中两个重要作物，分别是世界第一大蔬菜作物和世界第三大主粮作物。随着新技术的发展，基因组学和遗传学极大地提高了研究人员对这两种作物驯化、进化以及关键农学性状形成机制的认知。最近的研究表明，表观遗传修饰在调控番茄果实成熟、马铃薯块茎发育等重要农艺性状上发挥着至关重要的作用。近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文院士联合北京大学现代农学院何跃辉教授在aBIOTECH 发表了题为“Unlocking Epigenetic Breeding Potential in Tomato and Potato” 的综述论文。
作者首先介绍了组蛋白修饰在番茄和马铃薯重要性状调控中的研究进展（图1）。研究表明，催化组蛋白修饰标记H3K27me3的多梳家族复合体（PRC2）在调控番茄果实发育成熟和马铃薯块茎发育中起着重要作用。例如，拟南芥同源基因CURLY LEAF (CLF)突变后影响番茄果实发育和马铃薯块茎大小。其次，作者总结了DNA甲基化参与番茄和马铃薯重要农艺性状的调控机制。例如，果实成熟关键调控基因CNR启动子区域的甲基化水平参与调控CNR表达，进而影响番茄果实成熟过程中的颜色变化。作为近年来表观遗传研究的热点领域，RNA腺嘌呤甲基化修饰（m6A）也发挥关键作用。值得一提的是，芝加哥大学何川教授团队将人类RNA m6A去甲基化酶FTO分别转入水稻和马铃薯中，发现其产量和生物量均得到显著提高。此外，上述表观修饰也参与番茄和马铃薯温度、抗病虫等适应性调控。
图1 表观遗传修饰调控番茄果实成熟和马铃薯块茎发育
鉴于表观遗传修饰调控机制在番茄和马铃薯性状调控中的重要发现，作者进一步探讨了大数据驱动的表观基因组学与生物技术相结合的育种策略在番茄和马铃薯中的潜在应用。主要从四个方面进行阐述：(1) 茄科植物百科全书计划 (SolCODE)。首先，多个表观组学测序技术建立表观组学大数据图谱，以挖掘茄科植物全基因组上的非编码区调控元件(CREs)；(2) 表观智能预测。将表观组学大数据和人工智能技术相结合，辅助鉴定CREs并进一步预测表观修饰如何影响基因表达；(3) 表观编辑技术。将上述鉴定的CREs与基因编辑技术结合，以dCAS为代表的基因编辑系统也为研究表观遗传如何控制基因表达提供了有力支持；(4) 合成表观 (Synthetic Epigenetics)。综合上述大数据鉴定、CREs预测、编辑表观修饰系统，最终能够定向改变基因组上特定基因的表达，甚至整合多模块重新设计表观遗传修饰系统，进一步实现了通过人为设计表观遗传修饰模块来推动番茄和马铃薯的育种应用（图2）。
图2 表观遗传辅助育种的新技术
综上所述，论文总结了表观调控和相关新技术在番茄和马铃薯育种领域中的应用前景。通过将表观遗传相关新技术运用于番茄和马铃薯育种，尤其是针对一些非编码区的变异，将突破传统育种技术的局限性，开辟育种新范式。
中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文院士和张平贤博士后以及北京大学何跃辉教授为该论文通讯作者，张平贤博士后为本文第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、中国农科院科技创新工程、博士后面上项目等资助。
引用本文：Zhang, P., He, Y. & Huang, S. Unlocking epigenetic breeding potential in tomato and potato. aBIOTECH (2024). https://doi.org/10.1007/s42994-024-00184-2
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