表觀遺傳育種研究方案
Epigenetic Breeding Research
DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA調(diào)控是表觀遺傳學(xué)研究的主要研究內(nèi)容。三者在植物生長發(fā)育、應(yīng)對生物和非生物脅迫以及適應(yīng)環(huán)境變化中發(fā)揮著極其重要的作用。
研究方案
1. 研究目標(biāo)與策略
目標(biāo)作物選擇：選擇具有重要經(jīng)濟(jì)價值和改良需求的作物，如大豆、水稻、玉米、番茄和馬鈴薯等 。
性狀改良：針對作物的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性、抗旱性等關(guān)鍵性狀進(jìn)行改良 。
2. 技術(shù)應(yīng)用
全基因組甲基化測序（WGBS）：用于構(gòu)建作物的甲基化圖譜，識別差異甲基化區(qū)域（DMRs）。
染色質(zhì)免疫沉淀測序（ChIP-seq）：分析組蛋白修飾，如H3K27me3，了解其在作物性狀調(diào)控中的作用 。
RNA測序（RNA-seq）：研究基因表達(dá)變化，結(jié)合表觀遺傳修飾分析 。
簡化代表性亞硫酸鹽測序（RRBS）：用于簡化基因組的甲基化分析 。
甲基化DNA免疫共沉淀測序（MeDIP-seq）：分析甲基化DNA的富集區(qū)域 。
3. 數(shù)據(jù)分析與人工智能應(yīng)用
大數(shù)據(jù)驅(qū)動的表觀基因組學(xué)：利用表觀組學(xué)大數(shù)據(jù)圖譜挖掘非編碼區(qū)調(diào)控元件（CREs）。
表觀智能預(yù)測：結(jié)合表觀組學(xué)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，輔助鑒定CREs并預(yù)測表觀修飾如何影響基因表達(dá) 。
4. 基因編輯與表觀編輯技術(shù)
基因編輯技術(shù)：如CRISPR/Cas9，用于精確修改基因組中的特定區(qū)域 。
表觀編輯技術(shù)：利用dCAS系統(tǒng)等工具研究表觀遺傳如何控制基因表達(dá) 。
5. 合成表觀遺傳學(xué)
定向改變基因表達(dá)：通過人為設(shè)計表觀遺傳修飾模塊，推動作物育種應(yīng)用。
應(yīng)用策略
單組學(xué)分析策略：
從全局甲基化圖譜的構(gòu)建到差異甲基化區(qū)域（DMR）和甲基化變化區(qū)域（DMC）的識別，進(jìn)而進(jìn)行差異甲基化基因的功能富集分析，揭示候選基因。
多組學(xué)整合分析策略：
多組學(xué)技術(shù)結(jié)合：首先對每種組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨立分析，從整體甲基化/修飾圖譜的描述到差異分析。對差異甲基化基因及差異峰值注釋的基因進(jìn)行深入分析。
聯(lián)合分析：進(jìn)一步將不同組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，特別關(guān)注差異峰值注釋的基因與差異表達(dá)基因之間的相互關(guān)系。
多角度探究：通過多組學(xué)聯(lián)合分析，可以從多個層面探究基因表達(dá)調(diào)控的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，為作物改良提供全面的視角和策略。
應(yīng)用領(lǐng)域
動植物發(fā)育
動植物對環(huán)境脅迫應(yīng)答
動植物表觀遺傳機制
動植物分化衰老機制
農(nóng)藝性狀改良
品種改良
研究案例
（1）大豆馴化和改良過程中的DNA甲基化足跡
本研究通過全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS），研究者們對45份大豆品種（9個野生品種、12個農(nóng)家品種和24個栽培品種）進(jìn)行深入分析，揭示大豆馴化改良過程中DNA甲基化變化。
不同類型DMR的表征 VS 導(dǎo)致DMR的遺傳變異
（2）MdMTA介導(dǎo)的m6A修飾：增強植物抗旱性
本研究利用m6A-seq和RNA-seg技術(shù)鑒定出一個RNA甲基轉(zhuǎn)移酶，并證明m6A修飾在干旱響應(yīng)中的作用。還發(fā)現(xiàn)MdMTA介導(dǎo)的甲基化在響應(yīng)干旱脅迫時正向調(diào)控木質(zhì)素沉積和ROS清除相關(guān)基因表達(dá)。
圖：MdMTA介導(dǎo)的m6A甲基化調(diào)控干旱脅迫下的基因表達(dá)
（3）組蛋白H3K36me3：調(diào)控植物開花與溫度
本研究通過染色質(zhì)免疫共沉淀測序（ChIP-seq）和轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）揭示不同品種擬南芥在不同溫度下的DNA甲基化與轉(zhuǎn)錄組譜，表明H3K36me3修飾對高溫誘導(dǎo)的擬南芥植物的可變剪切和開花具有重要的調(diào)控作用。
圖：溫度誘導(dǎo)的DiS基因在H3K36me3中富集
參考文獻(xiàn)：
1) Zhou Z, et al. Promoter DNA hypermethylation of TaGli-γ-2.1 positively regulates gluten strength in bread wheat. J Adv Res. 2022 Feb;36:163-173.
2) Hou N,et al. MdMTA-mediated m6 A modification enhances drought tolerance by promoting mRNA stability and translation efficiency of genes involved in lignin deposition and oxidative stress. New Phytol. 2022 May;234(4):1294-1314.
3) Pajoro A, Severing E, Angenent GC, Immink RGH. Histone H3 lysine 36 methylation affects temperature-induced alternative splicing and flowering in plants. Genome Biol. 2017 Jun 1;18(1):102.
