全球极端气候频发和人口增长对粮食安全问题提出了新要求，亟需应用新的育种策略和生物技术解决作物增产稳产上的瓶颈问题。作物高产稳产受到遗传、表观遗传和环境协同调控，其中表观遗传和二者的互作起着重要作用，以表观遗传理论和技术为中心的表观遗传设计育种体系为培育作物优良品种提供了新路径。另一方面，合成生物技术作为新兴的多学科交叉技术，采用工程化设计理念，对生物体可以进行有目标的设计、改造乃至重新合成，为破解人类面临的资源、健康、环境和安全等重大挑战提供全新解决方案。目前，融合表观遗传与合成生物的“合成表观”（Synthetic Epigenetics，SynEpi）为作物遗传改良提供了全新方式，整合工程学理念和表观遗传基础重新设计表观遗传调控系统或者构建全新的人工调控回路以控制特定位点上的表观修饰，精准控制作物目标性状。
近日，中国农业科学院生物技术研究所普莉团队和谷晓峰团队合作在Science China Life Sciences上发表综述文章"Plant synthetic epigenomic engineering for crop improvement"，系统总结了合成表观遗传的研究进展，聚焦新型表观遗传修饰、三代测序技术、表观遗传编辑、表观合成回路、表观智能设计等多个方面，并提出利用合成表观技术设计和创制智能作物（SMART Crop）的途径和路线图。文章核心要点如下：
表观遗传在调控植物生长发育和环境适应性上发挥核心作用。最近研究鉴定了植物上RNA m6A、m5C、DNA 6mA等多种新型表观遗传修饰，发现新核酸甲基化m6A和m5C参与RNA转录后几乎所有代谢过程，而DNA 6mA甲基化则参与调控基因转录、DNA复制、DNA损伤以及修复等过程，并显示了其在作物产量、耐逆性改良上的重要应用潜力。
合成表观技术在改良作物农艺性状上展现出巨大应用潜力。在动物系统中合成表观被应用于调节染色质动态、核小体定位以及染色质的空间结构，为调控细胞响应内（外）源环境刺激提供了新策略。最近研究者已成功利用合成表观技术定点调控DNA 5mC修饰水平进而控制基因表达丰度，最终影响植物营养生长和开花过程，显示了未来在作物改良上的应用潜力。
新技术推动了表观合成的发展。基于单分子实时测序技术和纳米孔测序的第三代测序技术加速了DNA 6mA、RNA m6A、RNA m5C等新核酸修饰生物学功能的研究。植物表型组学、基因组学、表观基因组学等多维组学相结合，广泛地用于基础理论研究和作物遗传改良。此外，基于CRISPR/Cas的表观编辑系统不仅能够定向调控表观遗传修饰水平，还能实现特定表观遗传修饰位点的增减。
表观智能预测和设计提升了表观合成精准度。人工智能等信息技术通过整合多组学数据，构建智能模型，预测并优化人工设计的合成表观回路，大幅度提升表观合成的精准度，推动合成表观技术在作物改良上的应用。最近研究构建了一种基于人工智能的染色质开放性区域预测模型SMOC，为染色质开放性区域鉴定和信息挖掘提供了新的研究思路，结合之前建立的水稻智能数据库eRice、作物表观遗传预测模型SMEP等，将为今后作物表观智能设计育种提供数据资源和工具。
提出了设计SMART Crop的目标策略和路线图。合成表观技术采用模型驱动的育种策略，可以设计、评估和量化表观遗传修饰对作物性状的影响。文章综合提出了用于设计具有高产、优质、高效和多抗任两种或多种性状聚合的智能作物的具体策略和路线图，以实现产量和抗性的平衡、提高营养品质、增强水肥利用效率并优化植物与微生物间的互作。
作物改良的合成表观策略
文章最后提出为了实现利用合成表观技术定向改良作物农艺性状的目标，需要进一步研究的方面：表观遗传修饰如何精准和动态地响应特定环境信号或发育信号？基于多组学数据，如何利用人工智能和基因编辑手段设计和优化表观分子模块和表观调控回路的效能？如何精准高效地将人工构建的表观分子模块和表观调控回路递送至底盘作物中？对上述问题的解答有助于设计并培育聚合多种理想性状的作物新种质。
生物所普莉研究员和谷晓峰研究员为论文通讯作者，生物所杨立文副研究员、已毕业的博士研究生张平贤和硕士研究生王一凡为论文第一作者，该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
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Yang, L., Zhang, P., Wang, Y., Hu, G., Guo, W., Gu, X., and Pu, L. (2022). Plant synthetic epigenomic engineering for crop improvement. Sci China Life Sci 65, https://doi.org/10.1007/s11427-021-2131-6
转自：植物生物技术Pbj
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