PNAS | 东北师范大学/华中农业大学合作发现大豆non-CG DNA甲基化促进大豆光合作用和固氮效率

作物育种工作的核心就是对遗传变异进行挖掘和利用，过去的100年中各种作物的育种能力均有显著提升。虽然遗传变异已被大量用于作物的遗传改良，但表观遗传变异在作物上的效用尚未得到有效利用。表观遗传学是在DNA序列未改变的情况下，基因的表达却发生改变，并且可以遗传给后代，即未改变基因型的前提下改变表型的一种遗传现象。副突变、转基因沉默、基因印迹和转座子失活等都是表观遗传典型的例子。近年来，随着表观遗传学的研究逐步深入，操纵植物甲基化组产生具有独特表观遗传修饰的个体在作物育种和科学研究方面具有重要的意义（例如表观遗传重组自交系 (epigenetic recombinant inbred lines, epiRIL)）。Non-CG DNA甲基化是一种植物特有的表观遗传标记，主要由chromomethylase (CMT)调控，在拟南芥和水稻等物种中已被广泛研究。然而，non-CG DNA甲基化在调节作物农艺性状方面的作用及其影响程度仍需进一步探索。

2024年8月30日，华中农业大学王旭彤教授课题组与东北师范大学刘宝教授课题组合作在PNAS上发表了题为Non-CG DNA hypomethylation promotes photosynthesis and nitrogen fixation in soybean的研究论文，揭示了non-CG DNA 甲基化在调节大豆发育过程中的表观遗传机制，提供了改善大豆产量和营养价值的新策略。

该研究利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，创建一个缺失所有CMT基因功能的大豆 (Glycine max) 突变体系Gmcmt，这一突变体系在non-CG (CHG和CHH) DNA甲基化位点表现出明显的低甲基化，从而增强了染色质可及性，并显著调节了包括GOLDEN-LIKE10 (GmGLK10) 在内的数百个功能相关基因的表达。这些基因的表达变化不仅提高了光合作用，而且意外地提升了根瘤菌的固定效率。此外，Gmcmt还产生了体积更大、蛋白质含量更高的种子。这些分子层面的变化最终促进了大豆种子产量和质量的双重提升，体现了non-CG DNA甲基化在提高作物整体产量中的核心功能，展示了表观遗传修饰在全球农业生产中提升大豆性状的潜力。

Gmcmt突变体促进大豆光合作用和固氮效率的模式图

华中农业大学王旭彤教授、普渡大学马渐新教授与东北师范大学刘宝教授为论文的共同通讯作者。东北师范大学师资博士后寻红卫为该论文的第一作者，华中农业大学硕士研究生王雅迪、博士研究生冯万杰、连力洁、东北师范大学的硕士研究生刘姝涵和洪建慧参与了该项研究。该研究得到国家科技计划项目国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和中国博士后基金的资助。

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402946121