综述：表观育种：转化表观遗传景观以提升多因素气候扰动下的作物性能

《Plant Breeding》：Epibreeding: Translating the Epigenetic Landscape to Promote Crop Performance Under Multifactorial Climate Perturbation

近几十年来，表观遗传变化已被广泛记录，但其在性状稳定性中的作用仍知之甚少。表观育种（epigenetically mediated breeding，表观遗传介导的育种）是一种新兴方法，有望提高作物跨世代表现。将表观遗传学与传统育种相结合，通过增加一层可遗传信息，拓宽了对群体遗传学的理解。然而，在作物改良中，表观等位基因（epialleles）的跨代遗传需要更深入地理解具有复杂育种系统的植物物种中的复杂性状。育种中的主要挑战包括捕获决定复杂性状的最佳等位基因组合，这些性状受遗传和基因型独立突变的影响。本综述提出了一个概念框架，利用跨代表观等位基因培育高产气候韧性植物品种，以加强粮食安全。表观遗传机制可能为在栽培作物中实现更高遗传增益提供额外数据来源。开发表观数据（epidata，epigenetic data）并将其整合到育种计划中，可促进表观等位基因（epialleles，epigenetic allele）在性状改良中的利用。对非模式作物的研究强调了遗传复杂性、近交衰退和等位基因不平衡等困难，而下一代测序技术现在有助于克服这些障碍。全面的表观基因组作图和鉴定表观数量性状位点（Epi-QTLs，Epigenetic-Quantitative trait loci）或表观等位基因，可增进对基因激活和表观遗传变化如何塑造表型的理解，为改善作物韧性和生产力铺平道路。

1 Introduction

植物作为固着生物，进化出应对气候胁迫的防御机制，但现代育种导致栽培物种遗传多样性严重丧失，遗传瓶颈加剧了作物对逆境的敏感性并损害产量和营养品质。基因组学进展虽有助于恢复性状表现，但基因组选择模型很少纳入表观遗传变异。表观育种（epibreeding）为加速恢复性农业提供了潜力，通过整合DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质可及性及非编码RNA等隐藏遗传调控信息，可理解农艺性状的基因开关。然而，胁迫诱导的表观修饰持久性不同，从短暂转录启动到稳定有丝分裂遗传，而通过减数分裂的跨代传递相对少见且高度位点依赖，因此需谨慎解读胁迫相关甲基化变化。自然表观多样性可产生表观标记（epimarkers）并定位与目标性状相关的表观数量性状位点（epiQTLs），为表观育种提供资源。

2 The Epigenetic Code Shaping Agronomic Traits

表观遗传包括DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA等机制。植物特有的RNA指导的DNA甲基化（RdDM）通过siRNA引导结构域重排甲基转移酶2（DRM2）建立新生甲基化，介导转座子沉默和胁迫响应。21-24核苷酸siRNA分别参与转录后基因沉默和转录基因沉默，其中24-nt siRNA依赖Pol IV/Pol V和RDR2合成。甲基化由MET1、CMT3和CMT2等按序列上下文维持，也可被DNA糖基化酶（如DME、ROS1）主动去除。这些表观标记与染色质重塑共同调控转录沉默和表观遗传稳定性，胁迫诱导的甲基化变化可形成表观胁迫记忆，但跨代遗传范围有限。

3 Learning From the Cues: Classical Breeding to Epibreeding Approach

气候变化对作物生产力产生巨大影响，模式作物（如拟南芥、水稻等）的表观研究可为非模式作物提供借鉴。传统育种导致遗传多样性丧失，而表观变异可提供新的变异来源。

3.1 Phenotypic Plasticity due to Natural and Induced Epimutations

表观突变可自然发生或人工诱导，并可能适应性遗传。例如，用氮杂胞苷处理甘蓝型油菜可诱导低/高甲基化表观等位基因，提高种子蛋白和亚油酸含量。表观重组自交系（epiRILs）在拟南芥中表现出盐、温度和干旱胁迫耐受性。CRISPR技术可敲除DNA甲基转移酶或RdDM基因，实现基因特异性表观修饰，但需提高编辑的跨代稳定性以减少脱靶效应。

4 Epigenetic Inheritance Approaches—Seeds, Clonal Propagation and Root Stocks Grafting

种子引发通过改变DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质建模增强胁迫耐受性，并形成跨代记忆。例如，24-表油菜素内酯处理亚麻种子诱导特异序列甲基化和去甲基化，促进耐盐性。在嫁接中，siRNA通过韧皮部在砧木和接穗间移动，介导转录组重编程和甲基化组重塑。无性繁殖作物（如马铃薯、油棕、苹果）中体细胞产生的表观变异可绕过减数分裂重置而传递给后代，为稳定表观等位基因的利用提供机会。

5 Scope of Epialleles in Epibreeding and Their Challenges

表观等位基因的稳定传递和遗传力是高效表观育种的关键。有些表观改变可维持数代，但许多是暂时的并可能回复。超过50%的作物具有混合繁殖系统，无性繁殖植物因不经历减数分裂而较少丢失表观修饰，体细胞获得的表观改变可传递给子代。转座子转座也可能通过稳定遗传变化介导表观变异的短暂传递，但表观等位基因的预测稳定性、减数分裂遗传和环境鲁棒性仍待解决。

6 Framework and Components of Epibreeding in Nonmodel Crops

6.1 EpiRILs: EpiQTLs and Epigenetic Inheritance

表观重组自交系（epiRILs）通过DNA甲基转移酶突变体与野生型杂交构建，用于解析跨代表观遗传和基因型-环境互作。但在异交/非模式作物中，由于高杂合性、近交衰退、缺乏表观突变体等技术限制，传统epiRIL方法困难。表观全基因组关联分析（EWAS）可利用自然种群中的历史重组事件定位表观等位基因，如棉花中鉴定到1715个与产量和纤维品质相关的EWAS位点，油棕中MANTLED位点低甲基化导致异常表型。

6.2 EpiTILLING: An Initiative in Targeting Induced Local Lesions in Genomes

EpiTILLING（表观靶向诱导基因组局部突变）利用化学诱变剂如5-氮杂胞苷（5-AzaC）诱导随机DNA低甲基化，筛选有益表观等位基因，适用于正向和反向表观遗传筛选。多倍体植物基因冗余允许位点特异性表观调控而不干扰必需基因功能。CRISPR/dCas9介导的表观编辑不切割DNA，通过融合转录激活或抑制因子靶向基因启动子调节表达，减少脱靶效应，为表观育种提供精准工具。

7 Gamut of Environment-Specific Epiallelic Variants and Plant Adaptation

环境诱导的表观变异显著影响植物表型多样性和适应性。柳穿鱼（Linaria vulgaris）中Lcyc基因高甲基化导致花型改变；西班牙堇菜种群表观分化与遗传分化独立；兰科植物Dactylorhiza的生态隔离与水分和温度驱动的表观差异相关；拉关木（Laguncularia racemosa）盐沼种群与河岸种群CpG甲基化水平不同；油棕中Karma转座子附近75%低甲基化导致MANTLED果异常。这些案例表明表观变异可独立于遗传变异影响表型适应。

8 Tackling Global Climate Change and Boosting Crop Bio-Enrichment

表观育种与表观基因组工程互补可提升营养品质和产量。抑制HvDME和TaDME有望开发无麸质大麦和小麦；水稻中已鉴定磷和氮利用效率的表观标记；番茄mQTL-9-6与维生素E生物合成相关；CNR位点高甲基化抑制果实成熟；葡萄中Polycomb组基因调控芽发育；高粱中RNAi抑制MSH1产生表观变异使产量增加36%；木豆中24-nt siRNA簇调控杂种优势相关基因表达；苹果中组蛋白去乙酰化酶抑制剂TSA促进花青素积累。表观等位变异可用于作物生物强化。

9 Epigenomics Cross-Talk With Multiomics Approaches

整合表观基因组学、表观转录组学（如N⁶-甲基腺苷，m⁶A）和空间组学，可解析细胞类型特异性表观状态及胁迫响应。空间多组学有助于揭示源库互作和复杂性状的调控网络。AI驱动的高通量表型组学可实时验证表观等位基因的效应，并预测性状稳定性，但机器学习模型高度依赖多组学数据集的深度和精度。

10 Epibreeding Integration With Machine Learning

机器学习与多组学数据结合可区分短暂的表观变化与稳定遗传的表观等位基因，加速气候智能作物育种。AI辅助纵向建模有助于预测表观等位基因在发育和环境条件下的稳定性。未来需跨学科合作，生成多种物种的表观基因组数据，以理解物种特异性表观组和多重胁迫响应。

11 Conclusion

表观遗传为分子育种提供新的调控维度，DNA甲基化、染色质重塑、组蛋白修饰和非编码RNA共同参与性状调控。需发展更灵敏的单细胞测序和靶向表观编辑工具，以鉴定和验证复杂表观标记。表观变异基因组作图及其应用有望实现作物韧性提升，缓解隐性饥饿和营养不良。