表观遗传育种研究方案
Epigenetic Breeding Research
DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控是表观遗传学研究的主要研究内容。三者在植物生长发育、应对生物和非生物胁迫以及适应环境变化中发挥着极其重要的作用。
研究方案
1. 研究目标与策略
目标作物选择：选择具有重要经济价值和改良需求的作物，如大豆、水稻、玉米、番茄和马铃薯等 。
性状改良：针对作物的产量、品质、抗病性、抗旱性等关键性状进行改良 。
2. 技术应用
全基因组甲基化测序（WGBS）：用于构建作物的甲基化图谱，识别差异甲基化区域（DMRs）。
染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）：分析组蛋白修饰，如H3K27me3，了解其在作物性状调控中的作用 。
RNA测序（RNA-seq）：研究基因表达变化，结合表观遗传修饰分析 。
简化代表性亚硫酸盐测序（RRBS）：用于简化基因组的甲基化分析 。
甲基化DNA免疫共沉淀测序（MeDIP-seq）：分析甲基化DNA的富集区域 。
3. 数据分析与人工智能应用
大数据驱动的表观基因组学：利用表观组学大数据图谱挖掘非编码区调控元件（CREs）。
表观智能预测：结合表观组学大数据和人工智能技术，辅助鉴定CREs并预测表观修饰如何影响基因表达 。
4. 基因编辑与表观编辑技术
基因编辑技术：如CRISPR/Cas9，用于精确修改基因组中的特定区域 。
表观编辑技术：利用dCAS系统等工具研究表观遗传如何控制基因表达 。
5. 合成表观遗传学
定向改变基因表达：通过人为设计表观遗传修饰模块，推动作物育种应用。
应用策略
单组学分析策略：
从全局甲基化图谱的构建到差异甲基化区域（DMR）和甲基化变化区域（DMC）的识别，进而进行差异甲基化基因的功能富集分析，揭示候选基因。
多组学整合分析策略：
多组学技术结合：首先对每种组学数据进行独立分析，从整体甲基化/修饰图谱的描述到差异分析。对差异甲基化基因及差异峰值注释的基因进行深入分析。
联合分析：进一步将不同组学数据进行整合分析，特别关注差异峰值注释的基因与差异表达基因之间的相互关系。
多角度探究：通过多组学联合分析，可以从多个层面探究基因表达调控的复杂网络，为作物改良提供全面的视角和策略。
应用领域
动植物发育
动植物对环境胁迫应答
动植物表观遗传机制
动植物分化衰老机制
农艺性状改良
品种改良
研究案例
（1）大豆驯化和改良过程中的DNA甲基化足迹
本研究通过全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS），研究者们对45份大豆品种（9个野生品种、12个农家品种和24个栽培品种）进行深入分析，揭示大豆驯化改良过程中DNA甲基化变化。
不同类型DMR的表征 VS 导致DMR的遗传变异
（2）MdMTA介导的m6A修饰：增强植物抗旱性
本研究利用m6A-seq和RNA-seg技术鉴定出一个RNA甲基转移酶，并证明m6A修饰在干旱响应中的作用。还发现MdMTA介导的甲基化在响应干旱胁迫时正向调控木质素沉积和ROS清除相关基因表达。
图：MdMTA介导的m6A甲基化调控干旱胁迫下的基因表达
（3）组蛋白H3K36me3：调控植物开花与温度
本研究通过染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）和转录组测序（RNA-seq）揭示不同品种拟南芥在不同温度下的DNA甲基化与转录组谱，表明H3K36me3修饰对高温诱导的拟南芥植物的可变剪切和开花具有重要的调控作用。
图：温度诱导的DiS基因在H3K36me3中富集
参考文献：
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.
