張道磊 甘雨軍 樂亮 普莉

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081；2. 內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010021）

玉米是重要的糧食作物和飼料作物，具有食用、飼用和多種工業(yè)用途，在保障我國(guó)糧食安全方面具有重要戰(zhàn)略地位。目前隨著全球環(huán)境惡化、有效耕地面積持續(xù)減少及人口迅速增長(zhǎng)，作物產(chǎn)量難以滿足世界人口的需求［1]，尤其玉米面臨著提高籽粒產(chǎn)量和改善環(huán)境可持續(xù)的雙重壓力［2]。培育優(yōu)良玉米品種是提高玉米產(chǎn)量的主要手段。目前常用的作物育種手段是雜交育種、誘變育種、分子標(biāo)記育種及轉(zhuǎn)基因育種等，這些育種手段主要基于遺傳變異來改善作物性狀，雖然加快了玉米育種進(jìn)展，但是會(huì)導(dǎo)致遺傳基礎(chǔ)狹窄、遺傳多樣性缺失等問題，從而限制了許多產(chǎn)量性狀改善的潛力，因此亟須探索有效改善玉米產(chǎn)量性狀的新途徑。復(fù)雜性狀受遺傳和表觀遺傳協(xié)同調(diào)控，利用表觀遺傳變異或表觀基因組變化可以提高作物對(duì)環(huán)境條件變化的響應(yīng)，提高作物產(chǎn)量。表觀遺傳變異不同于遺傳變異，在不改變基因組序列的情況下通過表觀修飾的變化來調(diào)控基因表達(dá)，進(jìn)而遺傳到下一代。表觀育種是基于作物表觀遺傳變化，設(shè)計(jì)出有利表型性狀的手段［3]。表觀遺傳學(xué)促進(jìn)表型變異，表觀遺傳修飾可以作為調(diào)節(jié)作物性狀的分子開關(guān)，具有優(yōu)化作物育種和提高作物生產(chǎn)力的潛力。隨著高通量測(cè)序技術(shù)及表觀修飾檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)，玉米基因組中組蛋白修飾、DNA修飾、RNA修飾及非編碼RNA等表觀信息被逐漸揭示。因此，挖掘有利的表觀遺傳變異，并通過表觀編輯技術(shù)進(jìn)行遺傳改良是提高玉米產(chǎn)量的新途徑。本文綜述了影響玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素及玉米產(chǎn)量性狀的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，并通過表觀編輯等技術(shù)將表觀遺傳變化或表觀修飾應(yīng)用于玉米改良，為培育高產(chǎn)新品種提供新見解和思路。

1 影響玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素

1.1 株型

株高是玉米重要的農(nóng)藝性狀之一，它與玉米的高產(chǎn)密切相關(guān)［4]。株高影響玉米的種植密度和光能利用效率進(jìn)而影響玉米產(chǎn)量［5]，此外，株高也和植株的抗倒伏能力密切相關(guān)［6]。近年來，調(diào)控玉米株高的關(guān)鍵基因被挖掘出來，例如，ZmRPH1（Reducing Plant Height 1）基因過表達(dá)可以造成植株細(xì)胞的長(zhǎng)度減少但寬度增加，最終導(dǎo)致玉米株高降低［7]。ZmTE1基因可以調(diào)控玉米節(jié)間細(xì)胞長(zhǎng)度進(jìn)而影響株高［8]。ZmGA3ox2（Gibberellin 3-Oxidase2）基因通過調(diào)控內(nèi)源性赤霉素水平和節(jié)間長(zhǎng)度，從而影響玉米植株高度和分枝結(jié)構(gòu)［9]。

玉米葉夾角影響高密度種植下籽粒產(chǎn)量以及玉米的光合作用效率［10-11]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，一些關(guān)鍵基因可以影響葉夾角的大小和變化，從而影響玉米的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。ZmDWF1基因是一個(gè)正向調(diào)控基因，調(diào)控參與細(xì)胞壁相關(guān)代謝和激素代謝基因表達(dá)水平，進(jìn)而影響玉米葉夾角的大?。?2]。ZmCLA4（Controlling Leaf Angle 4）基因和ZmIBH1-1在玉米葉夾角中起著負(fù)調(diào)控作用，分別調(diào)控細(xì)胞分裂和細(xì)胞大?。?0,13]。過表達(dá)ZmNF-YC13（NF-Y Subunit C13）會(huì)影響細(xì)胞色素P450家族成員表達(dá)的變化，最終造成玉米葉夾角變窄［14]。此外，ZmLPA1基因調(diào)控玉米中生長(zhǎng)素水平并影響玉米葉夾角［15]。

玉米根在吸收養(yǎng)分、水分和維持植物生長(zhǎng)等方面發(fā)揮著重要的作用［16]。發(fā)達(dá)的根系可以增加玉米土壤吸水、吸肥的能力，并提高玉米養(yǎng)分利用率和抗逆能力，從而促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)和產(chǎn)量［17]。ZmNAC111（NAM, ATAF, and CUC（NAC）-type Transcription Factor）過表達(dá)表現(xiàn)出更高的根冠比，并促進(jìn)了玉米根系的發(fā)育和生長(zhǎng)，這使得玉米植株可以更好地抵抗干旱等逆境因素［18]。PYR1/PYL8受體可以調(diào)控根部ABA的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)從而影響玉米根部的生長(zhǎng)發(fā)育［19]。過表達(dá)ZmbZIP4（bZIP Transcription Factor 4）導(dǎo)致主根伸長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)量增加，從而提高了植株耐鹽和抗干旱能力［20]。

1.2 環(huán)境適應(yīng)性

生物脅迫如病毒、細(xì)菌、真菌、昆蟲、鳥類等，這些生物脅迫會(huì)嚴(yán)重影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量［21-22]。通過鑒定和選育出具有抗病性和抗蟲性的關(guān)鍵基因和玉米品種，可以顯著提高玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量。過表達(dá)ZmPx5（Peroxidase Px5）基因可以使過氧化物酶活性增強(qiáng)，從而提高了玉米植株對(duì)真菌和昆蟲的抗性［23]。ZmWRKY83通過調(diào)控玉米植株次生代謝物合成來抵抗禾谷鐮刀菌的感染［24]。過表達(dá)ZmERS4可以提高病原菌感染后的水楊酸（SA）水平并增加防御相關(guān)基因PR4的表達(dá)，進(jìn)而增加玉米的抗病能力［25]。

玉米在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，也會(huì)遭受到各種非生物脅迫，如干旱、高溫、低溫、鹽堿、洪水等環(huán)境因素，這些非生物脅迫對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量造成嚴(yán)重的影響［1]。過表達(dá)ZmSRO1d基因可以增強(qiáng)保衛(wèi)細(xì)胞中活性氧（ROS）的水平，進(jìn)而促進(jìn)氣孔關(guān)閉來應(yīng)對(duì)干旱脅迫［11]。ZmHsf11（Heat Shock Transcription Factors 11）基因可以調(diào)控氧化應(yīng)激相關(guān)基因的表達(dá)和活性氧（ROS）水平，過表達(dá)ZmHsf11可有效增強(qiáng)玉米的抗熱能力并增加籽粒產(chǎn)量［26]。

改善玉米株型和提高環(huán)境適應(yīng)性有利于培育出高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)良玉米品種，挖掘控制玉米株型或調(diào)控玉米環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵基因進(jìn)而培育出高產(chǎn)的玉米品種是分子育種的主要手段。此外，種質(zhì)多樣性對(duì)于改善植株多重性狀，增加遺傳效益和增加作物產(chǎn)量至關(guān)重要。隨著基因組測(cè)序和組裝技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的玉米種質(zhì)資源被用于探究玉米高產(chǎn)的機(jī)制，并為玉米育種提供更多的遺傳信息和資源［1,27]。利用種質(zhì)資源和群體遺傳學(xué)等方法，鑒定出了與玉米高產(chǎn)相關(guān)的基因，過表達(dá)ZmARGOS可以降低玉米對(duì)乙烯的敏感性，并提高玉米植株的耐旱性［28]。ZmIPT2調(diào)控細(xì)胞分裂素的合成，過表達(dá)ZmIPT2基因降低了玉米葉片的衰老速度并使得玉米穗長(zhǎng)、粒長(zhǎng)和粒寬顯著增加，進(jìn)而提高了玉米籽粒質(zhì)量和產(chǎn)量［29]。

2 玉米產(chǎn)量性狀表觀遺傳調(diào)控機(jī)制

2.1 組蛋白修飾

真核生物組蛋白上存在著大量的翻譯后修飾（post-translational modifications, PTM），這些PTM影響染色質(zhì)狀態(tài)以及基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控［30]。不同的組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑以及組蛋白特異變體影響植物發(fā)育的各種過程，如根生長(zhǎng)、開花時(shí)間、花器官發(fā)生、配子體或胚胎形成以及植物對(duì)病原體或環(huán)境變化的反應(yīng)［31-32]。組蛋白上的共價(jià)修飾往往是動(dòng)態(tài)的，如組蛋白甲基化由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferases, HMTs）及組蛋白去甲基化酶（histone demethylases, HDMs）動(dòng)態(tài)調(diào)控［33]，組蛋白乙?；山M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferases, HATs）和組蛋白去乙酰酶（histone deacetylases, HDACs）動(dòng)態(tài)調(diào)控［34]。這些組蛋白修飾相關(guān)酶通過調(diào)控組蛋白修飾水平，進(jìn)而影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因的表達(dá)。其中，組蛋白甲基化H3K9me2、H3K9me3及H3K27me3被認(rèn)為抑制基因表達(dá)，多分布于轉(zhuǎn)錄不活躍的染色質(zhì)區(qū)域［35]，而H3K36me3和H3K4me3多富集在轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域［36]。基因表達(dá)受到組蛋白修飾的嚴(yán)格調(diào)控，多梳抑制復(fù)合物（polycomb group, PcG）可以通過H3K27me3抑制下游靶基因表達(dá)，而COMPASS或其類似物，如Trithorax蛋白可以通過H3K4me3激活下游靶基因表達(dá)［37-38]，這些組蛋白修飾相互協(xié)調(diào)共同精準(zhǔn)調(diào)控基因表達(dá)。玉米HDAC家族中ZmHDA101、ZmHDA102以及ZmHDA108在玉米各器官中普遍表達(dá)［39]，其中，ZmHDA101降低H4K5乙?；?，使得種子發(fā)育過程中低乙酰化［39]，ZmHDA108可以降低H3K9me2及H3、H4組蛋白去乙?；@使得玉米發(fā)育相關(guān)基因受到精準(zhǔn)的調(diào)控［40]。ZmHO-1及ZmGSL-1啟動(dòng)子區(qū)域的組蛋白乙?；绊懹衩椎母邷胤磻?yīng)［41]。熱激玉米幼苗導(dǎo)致葉片中H3K9、H4K5以及H3乙?；@著升高，H3K9me2修飾減少［33]。此外，組蛋白甲基化H3K27me3和DNA甲基化，microRNA及內(nèi)源性小干擾RNA可以協(xié)調(diào)調(diào)控玉米莖和根的發(fā)育［42]。

玉米胚乳中含有大量的印記基因，來自于親本的等位基因出現(xiàn)差異表達(dá)，玉米印記基因red1過表達(dá)導(dǎo)致玉米胚中細(xì)胞色素積累［43]。組蛋白甲基化H3K27me3和DNA甲基化共同影響玉米胚乳的印記基因表達(dá)［44]。土壤的鹽堿化直接影響玉米幼苗的發(fā)育，組蛋白修飾在植物環(huán)境應(yīng)激反應(yīng)中起著重要作用，其中H3K9和H4K5乙?；c鹽脅迫響應(yīng)及滲透脅迫有關(guān), H3K9和H4K5乙?；险{(diào)玉米細(xì)胞壁相關(guān)基因ZmEXPB2和ZmXET1表達(dá)，從而導(dǎo)致玉米細(xì)胞變大、鹽脅迫引起的離子毒性減輕；H3K9和H4K5乙?；采险{(diào)玉米滲透脅迫響應(yīng)基因ZmDREB2A（Ehydration-responsive Element Binding Protein 2A）表達(dá)來介導(dǎo)玉米滲透脅迫能力［45-46]。莖腐病是玉米病害之一，廣泛分布于玉米產(chǎn)區(qū)并嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量。ZmCCT（CCT Domain-containing Gene）是qRfg1位點(diǎn)上的抗病功能基因，表觀遺傳修飾的變化影響了ZmCCT在根部抗莖腐病的功能。TE1的插入/缺失改變了ZmCCT的H3K27me3/H3K9me3及H3K4me3水平，H3K4me3減少和甲基化的CG富集使病原體誘導(dǎo)的ZmCCT表達(dá)被抑制，導(dǎo)致玉米容易感病。ZmCCT的表觀修飾調(diào)控使得玉米可以更加準(zhǔn)確和及時(shí)地防御莖腐病［47]。組蛋白乳酸化（Kla）調(diào)控哺乳動(dòng)物免疫反應(yīng)，近期研究發(fā)現(xiàn)玉米根系中普遍存在乳酸化修飾，并且干旱敏感系B73和耐旱品系Jing216的乳酸化修飾存在明顯差異，干旱處理B73和Jing216發(fā)現(xiàn)B73的乳酸含量顯著降低，而Jing216沒有顯著變化，因此，乳酸含量也可作為植物耐旱的生理指標(biāo)［48]。此外，組蛋白修飾影響玉米光反應(yīng)、晝夜節(jié)律及代謝變化［33]。

2.2 DNA修飾

DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)中最早被發(fā)現(xiàn)的一種修飾方式，可以通過添加甲基基團(tuán)來調(diào)節(jié)基因表達(dá)。目前已知的DNA修飾方式包括甲基化、羥甲基化、脫氧基化等。甲基化是最常見的一種DNA修飾方式，它指的是在DNA分子上加入甲基基團(tuán)，從而改變DNA分子結(jié)構(gòu)和表達(dá)，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和逆境應(yīng)答等方面。

DNA 5mC修飾是在胞嘧啶上的第5碳原子上加入甲基基團(tuán)（CH3），其廣泛分布在植物轉(zhuǎn)座元件（TEs）和基因區(qū)［49-50]，多集中在CG、CHG和CHH（H代表C、A或T）序列區(qū)域［51]，由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DRM1、DRM2、CMT1、CMT2、CMT3以及MET1和MET2催化形成。5mC修飾被認(rèn)為是一種抑制性標(biāo)記，參與基因表達(dá)沉默、轉(zhuǎn)座子插入及缺失，以及基因組穩(wěn)定性［52-53]。DNA 5mC對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，不同的組織部位表現(xiàn)出不同程度的DNA甲基化［54]，Eichten等［55]對(duì)玉米自交系品種建立了全基因組DNA甲基化圖譜，并發(fā)現(xiàn)玉米自交系中存在不同的甲基化區(qū)域，這些區(qū)域多分布在轉(zhuǎn)座子附近。DNA甲基化和轉(zhuǎn)座元件共同影響基因表達(dá)。Vgt1位點(diǎn)是影響玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵位點(diǎn)，ZmRap2.7（AP2/ERF Transcription Factor）被認(rèn)為是玉米開花抑制基因，Vgt1中的轉(zhuǎn)座元件MITE的DNA甲基化會(huì)影響ZmRap2.7的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致玉米提前開花［56]。ZmNAC111與玉米抗旱性相關(guān)，過表達(dá)ZmNAC111可以增加玉米抗旱性，轉(zhuǎn)座元件MITE通過DNA甲基化5mC和組蛋白修飾H3K9me2抑制ZmNAC111表達(dá)，從而影響玉米的抗旱性［57]。5mC分布及含量受到多種因素影響，如溫度脅迫及其他非生物脅迫可以影響玉米DNA甲基化分布模式，從而影響基因表達(dá)并進(jìn)一步穩(wěn)定遺傳［33,55]。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)水平在玉米葉片發(fā)育過程中受到嚴(yán)格調(diào)控，這導(dǎo)致玉米葉片的分裂區(qū)、過渡區(qū)、延伸區(qū)及成熟區(qū)存在不同的CG和CHG甲基化模式［58]。缺失DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DDM1導(dǎo)致植物胚胎發(fā)育異常［59]，突變玉米中編碼DNA甲基化酶相關(guān)基因zmet2和zmet5，以及DDM1同源基因chr101和chr106導(dǎo)致玉米出現(xiàn)比擬南芥更為嚴(yán)重的表型［60]。

DNA 6mA修飾在原核生物中較為豐富［61]，影響原核生物DNA復(fù)制及轉(zhuǎn)錄過程［62]，在植物發(fā)育過程中也可以調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)［50]。6mA在擬南芥和水稻中的分布模式是一致的，大部分富集在異染色質(zhì)區(qū)域，參與影響植物非生物脅迫響應(yīng)［50,63]。此外，在擬南芥中也發(fā)現(xiàn)了DNA 4mC、5hmC修飾，但在玉米中的分布和功能還未被揭示［64-65]。這些研究結(jié)果表明，DNA甲基化可以調(diào)控植物基因表達(dá)進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)玉米中DNA甲基化模式的解析將有利于提升玉米產(chǎn)量。

2.3 RNA修飾

目前RNA上的化學(xué)修飾被鑒定出超過160種，這些修飾參與調(diào)控基因表達(dá)、pre-mRNA的剪切、RNA穩(wěn)定性和運(yùn)輸、轉(zhuǎn)錄和翻譯等過程［66]。表觀轉(zhuǎn)錄組學(xué)主要研究mRNA上動(dòng)態(tài)修飾的位置、對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控和生物學(xué)功能等方面［67]。隨著RNA修飾測(cè)序技術(shù)、質(zhì)譜色譜聯(lián)用技術(shù)（LC-MS/MS）的發(fā)展，越來越多的mRNA修飾在生物體中的功能被逐漸揭示，如N7-methylguanine（m7G）、N6-methyladenosine（m6A）、N6,2-O-dimethyladenosine（m6Am），N1-methyladenosine（m1A）、5-methylcytosine（m5C）、5-hydroxymethylcytosine（hm5C）、2'-O-methylated nucleosides（Nm）、pseudouridine（Ψ）［68]。mRNA修飾也廣泛存在于植物中，調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)并影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育［68]。m6A修飾普遍分布在擬南芥和水稻的不同組織部位，敲除編碼m6A相關(guān)甲基化酶基因MTA、MTB、FIP37將導(dǎo)致植物胚胎致死［69]。m6A在植物中可以調(diào)控分化因子的表達(dá)，進(jìn)而影響干細(xì)胞分化。MTA缺失導(dǎo)致葉片卷曲、花絮和頂端分生組織均受到影響，F(xiàn)IP37的缺失導(dǎo)致莖尖分生組織（SAM）過度增殖［70]。敲除編碼m6A去甲基化酶基因ALKBH10B導(dǎo)致擬南芥延遲開花［71]。水稻中m6A甲基化酶成員OsFIP影響水稻的孢子發(fā)育［72]。此外，m6A修飾也參與植物葉片的發(fā)育和果實(shí)的成熟，m6A識(shí)別蛋白EVOLUTIONARILY CONSERVED C-TERMINAL REGION2（ECT2）和ECT3在擬南芥葉片形成中起關(guān)鍵作用，突變番茄中編碼RNA m6A去甲基化酶SLALKBH2可以延緩果實(shí)成熟［73-74]。m6A影響植物對(duì)脅迫的響應(yīng)，在玉米中，干旱脅迫后編碼m6A去甲基化酶基因ALKBH10表達(dá)增多，使得m6A水平降低，尤其是干旱脅迫相關(guān)基因Actin-7（ACT7）、 ECERIFERUM4（CER4）和CER10［75]。近期研究人員發(fā)現(xiàn)m6A修飾也參與植物響應(yīng)低溫變化［76]。在玉米自交系B73和MO 17中發(fā)現(xiàn)RNA m6A與基因表達(dá)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，m6A修飾的基因在B73和MO 17中有著大量的自然變異，表明了m6A促進(jìn)玉米自交系中的基因發(fā)生自然變異［77]。

在植物中，m5C修飾對(duì)環(huán)境變化也非常敏感。在高溫或干旱脅迫下，m5C修飾降低，但在生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和ABA等幾種植物激素處理下升高［78]。此外，m5C修飾也影響植物根發(fā)育以及光合作用［38,78-80]。水稻中m5C甲基化酶OsNSUN2失去功能導(dǎo)致植株對(duì)光溫更加敏感［80]，此外，m5C修飾也可以和組蛋白甲基化H3K27me3相互協(xié)調(diào)調(diào)控下游靶基因表達(dá)［38]。

總之，RNA修飾在植物生長(zhǎng)發(fā)育期間扮演著重要的角色，通過改造作物中RNA修飾相關(guān)酶的含量進(jìn)而達(dá)到提高作物產(chǎn)量的目的，這是一種有效提高作物產(chǎn)量的途徑。m6A去甲基化酶FTO被報(bào)道在植物中缺乏該基因的同源基因，研究人員通過在單子葉水稻和雙子葉土豆中引入動(dòng)物基因FTO（Fat Mass and Obesity Associated）來調(diào)控植物中m6A水平。過表達(dá)FTO的水稻及土豆的產(chǎn)量與生物量都增加了約50%，此外，過表達(dá)FTO的水稻光合效率和抗旱能力均增加［81]。這說明通過表觀編輯遺傳育種技術(shù)，可以培育出更高產(chǎn)高生物量的優(yōu)良品種，從而實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)。玉米中的RNA修飾分布及其功能還未被解析清楚（表1），因此對(duì)玉米中RNA修飾功能解析，改造玉米中RNA修飾相關(guān)酶是提高玉米產(chǎn)量的新途徑。

表1 植物中RNA修飾相關(guān)酶Table 1 RNA modification related enzymes in plants

2.4 染色質(zhì)重塑和非編碼RNA

植物中龐大的DNA序列被壓縮成更高階的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)于基因的表達(dá)調(diào)控至關(guān)重要。染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）是指在基因復(fù)制和染色體重組過程中，ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)因子對(duì)核小體的重新定位、核小體結(jié)構(gòu)及組蛋白共價(jià)修飾改變［85]。SNF2因子可以促進(jìn)DNA發(fā)生易位，從而介導(dǎo)染色質(zhì)重塑和改變DNA可及性，許多植物中的SNF2蛋白被鑒定出來，如擬南芥、水稻和玉米，并發(fā)現(xiàn)其參與多種生物過程［86]。染色質(zhì)重塑因子ZmCHB101調(diào)控玉米硝酸鹽反應(yīng)［87]，SWI/SNF ATPase與植物胚胎發(fā)育相關(guān)［88]，SWP37可以抑制植物內(nèi)源性免疫反應(yīng)［89]。

真核生物中除了編碼蛋白的RNA（mRNA）之外，還存在著大量的非編碼RNA（noncoding，ncRNA），其中長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）在調(diào)控基因表達(dá)中發(fā)揮著重要的作用［33]。lncRNA參與玉米中微RNA（microRNA，miRNA）-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，在玉米中已鑒定出多種組織特異性lncRNA，例如，lncRNA_35524、lncRNA_31273和lncRNA_69328只在玉米胚中表達(dá)，而lncRNA_71309、lncRNA_02785、lncRNA_86055和lncRNA_58195參與胚乳發(fā)育［90]。此外，一些lncRNA還參與調(diào)控玉米的脅迫反應(yīng)和玉米的耐磷性，例如，TCONS_00012662可以響應(yīng)干旱脅迫［91]，PILNCR1可以響應(yīng)磷的缺乏［92]。miRNA主要與基因轉(zhuǎn)錄后抑制相關(guān)［93]，miRNA在玉米生長(zhǎng)發(fā)育過程中扮演著重要的角色［33]，參與玉米種子發(fā)育［94]、脅迫響應(yīng)［95]等過程。此外，miRNA也影響玉米對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，如miRC10和miRC108影響玉米對(duì)氮的吸收，miR528s、miR169s、miR166s和miR408/b可能與硝酸鹽信號(hào)有關(guān)［33]。除了以上ncRNA之外，小干擾RNA（small interfering，siRNA）、環(huán)狀RNA（circRNAs）也影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，一些siRNA影響玉米對(duì)病毒的應(yīng)激反應(yīng)［96]，circRNA在不同玉米品系中也表現(xiàn)出明顯的差異［97]。

2.5 表觀編輯

近年來，基因編輯工具層出不窮，從鋅指核酸酶（zinc finger nuclease, ZFN）、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（transcription activator-like effector nuclease,TALEN）到第三代編輯技術(shù)CRISPR-Cas9，基因編輯技術(shù)正逐步應(yīng)用于疾病治療和作物產(chǎn)量提升等方面。表觀遺傳機(jī)制涉及染色質(zhì)的穩(wěn)定性并造成可遺傳的變化，生物體建立表觀遺傳記憶并保持遺傳的穩(wěn)定性［98]。表觀遺傳編輯不同于CRISPR-Cas9等編輯工具，其不會(huì)改變DNA序列而是改變生物體內(nèi)的表觀遺傳信息。重寫表觀遺傳圖譜是在不改變基因序列的情況下調(diào)節(jié)基因功能的另外一種方式，根據(jù)調(diào)節(jié)基因上表觀修飾的變化來沉默或激活基因表達(dá)，而這種修飾的改變往往是可穩(wěn)定遺傳的。表觀編輯調(diào)控基因表達(dá)可以通過調(diào)控相關(guān)的甲基化酶或去甲基化酶，導(dǎo)致基因表觀修飾發(fā)生改變從而達(dá)到抑制或激活下游靶基因的目的。研究人員根據(jù)表觀遺傳修飾分布開發(fā)出了CRISPRoff和CRISPRon表觀編輯工具，CRISPRoff是在小RNA的引導(dǎo)下將甲基基團(tuán)粘貼在基因特定位點(diǎn)上，帶上甲基修飾的基因隨后被沉默表達(dá)，CRISPRon是通過去甲基化酶消除基因上的甲基修飾，從而逆轉(zhuǎn)沉默效果［99]。這種可逆轉(zhuǎn)的表觀編輯工具在DNA序列不改變的情況下調(diào)控特定基因表達(dá)被認(rèn)為是基因編輯的里程碑式進(jìn)展［100]。CRISPRoff結(jié)合DNA甲基化酶DNMT3a和DNMT3L以及招募組蛋白修飾的抑制結(jié)構(gòu)域KRAB，將該系統(tǒng)導(dǎo)入到基因組中可以達(dá)到80%-90%的基因發(fā)生沉默［100]，CRISPRoff系統(tǒng)在細(xì)胞分裂及分化過程中仍然可以保持穩(wěn)定性［99]。表觀編輯系統(tǒng)有潛力對(duì)其他編輯系統(tǒng)難以靶向的基因組進(jìn)行修飾，從而達(dá)到目的基因的精準(zhǔn)調(diào)控。表觀修飾相關(guān)酶的催化結(jié)構(gòu)域是表觀編輯工具的重要組成部分，不同的表觀編輯工具可用于添加、刪除和識(shí)別植物中不同的表觀遺傳密碼。目前表觀編輯基于基因編輯系統(tǒng)與表觀修飾酶的催化結(jié)構(gòu)域相互作用來修飾基因組中表觀遺傳標(biāo)記，從而導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變和基因表達(dá)變化［101]。表觀編輯也是理解表觀修飾、細(xì)胞重編程和功能機(jī)制解析的有效方法，可以用于表觀育種，在改善作物產(chǎn)量性狀方面有著很大的希望。ZFN與SU（VAR）3-9 HOMOLOG 9（SUVH9）結(jié)合誘導(dǎo)下游靶基因FWA發(fā)生DNA甲基化，從而沉默F(xiàn)WA基因表達(dá)［102]?；诨蚓庉嬒到y(tǒng)CRISPR的SunTag系統(tǒng)偶聯(lián)煙草中DRM甲基化轉(zhuǎn)移酶NtDRMcd被用于靶向擬南芥中DNA甲基化［103]。

通過調(diào)節(jié)植物內(nèi)表觀修飾水平來改善作物產(chǎn)量性狀是目前表觀編輯育種的策略。FTO作為哺乳動(dòng)物體內(nèi)的RNA去甲基化酶可以調(diào)控動(dòng)物內(nèi)m6A水平，研究人員將動(dòng)物內(nèi)的FTO轉(zhuǎn)到水稻和馬鈴薯內(nèi)，并降低了體內(nèi)m6A水平，使得poly（A）RNA和染色質(zhì)開放程度增多［81]。利用表觀編輯改造后的水稻和馬鈴薯的根系變大，光合效率和抗旱能力增加，水稻的分蘗數(shù)目增多，產(chǎn)量和生物增加約50%［81]。水稻細(xì)胞中轉(zhuǎn)化Cas12j2驅(qū)動(dòng)的表觀編輯系統(tǒng)（5mC）可以導(dǎo)致水稻淀粉合成基因OsGBSS1表達(dá)水平急劇下降，該系統(tǒng)可以微調(diào)水稻中下游靶基因表達(dá)［104]。表觀編輯的出現(xiàn)也為表觀修飾在抗逆性遺傳改良中的應(yīng)用提供了支持，DCas9與擬南芥組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶HAT1融合，通過重塑染色質(zhì)來提高脫落酸響應(yīng)元件AREB1/ABF2基因表達(dá)，提高了擬南芥的抗旱性，這說明表觀編輯系統(tǒng)dCasHAT在改造作物脅迫響應(yīng)方面有著良好的應(yīng)用前景［105]。因此，表觀編輯的開發(fā)和利用在作物產(chǎn)量性狀的改良上具有廣闊的前景。編輯效率是限制表觀編輯技術(shù)的因素之一，CRISPRoff和CRISPRon表觀編輯工具的開發(fā)可以針對(duì)不同靶點(diǎn)進(jìn)行操作，但是隨著時(shí)間推移，被沉默的基因會(huì)被再次啟動(dòng)，這使得表觀編輯效率降低，探索亞穩(wěn)態(tài)沉默基因?qū)⑹翘岣弑碛^編輯效率的有效途徑［99]。合成生物技術(shù)是基于工程化設(shè)計(jì)理念，對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造或重新合成。目前，基于合成生物技術(shù)的“合成表觀”（synthetic epigenetics, SynEpi）整合了工程學(xué)理念和表觀遺傳基礎(chǔ)，結(jié)合表觀編輯是提高作物產(chǎn)量的新策略。研究人員已經(jīng)成功將來自哺乳動(dòng)物和煙草相關(guān)模塊融合，并將其通過表觀編輯技術(shù)導(dǎo)入到植物中，從而精準(zhǔn)控制植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和開花［106]。隨著單分子實(shí)時(shí)測(cè)序技術(shù)和第三代測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，植物中核酸修飾分布及功能被不斷解析，而表觀編輯技術(shù)可以定向調(diào)控核酸修飾水平，因此表觀編輯技術(shù)在提高作物產(chǎn)量中有巨大潛力。此外，基于人工智能等信息技術(shù)而開發(fā)的表觀智能預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)技術(shù)更加優(yōu)化了合成表觀回路，如水稻智能數(shù)據(jù)庫(kù)eRice［107]和水稻基因組開放染色質(zhì)區(qū)域預(yù)測(cè)的智能模型SMOC［108]，以及作物表觀遺傳預(yù)測(cè)模型SMEP［109]，這使得研究人員可以更精準(zhǔn)改造作物中表觀信息，從而達(dá)到作物高產(chǎn)的目的。

3 育種應(yīng)用與展望

目前，玉米已經(jīng)成為世界上產(chǎn)量最大的糧食作物，隨著氣候的急劇變化、耕地面積的減少以及人口增多，糧食作物的產(chǎn)量需要提升50%，才能滿足全球人類的需求［110-111]，因此提高玉米產(chǎn)量是作物育種的重要目標(biāo)。盡管已經(jīng)克隆了一些玉米產(chǎn)量相關(guān)基因/QTL，如YIGE1基因影響穗的發(fā)育，過表達(dá)YIGE1可以增加雌穗花序分生組織大小并提高籽粒產(chǎn)量［111]，Zm00001d044081啟動(dòng)子影響玉米籽粒大小和重量［112]；NAC7基因通過調(diào)控玉米光合作用來影響產(chǎn)量［113]，突變ZmCLA4將導(dǎo)致玉米葉夾角變大［114]；籽粒大小是影響玉米產(chǎn)量的重要性狀，QTL位點(diǎn)qkl-2調(diào)控玉米籽粒大?。?15]，但玉米各性狀之間往往相互影響，調(diào)控相關(guān)性狀基因之間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)有待明晰。

玉米產(chǎn)量易受到高溫、干旱、鹽堿等非生物脅迫因素影響。表觀修飾在植物響應(yīng)非生物脅迫中起著重要的作用，如玉米中DNA甲基化可以有效防止熱激情況下轉(zhuǎn)座子沉默現(xiàn)象［116]，熱激玉米幼苗也將導(dǎo)致H3K4me2及H3K9ac增多，從而增多熱激轉(zhuǎn)錄因子Hsf表達(dá)量［117]。此外，DNA甲基化也影響玉米響應(yīng)干旱脅迫相關(guān)基因表達(dá)［118]，以及玉米中轉(zhuǎn)座子在不同脅迫條件下發(fā)生差異表達(dá)［119]。隨著對(duì)RNA修飾檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)，RNA甲基化在植物非生物脅迫中的作用被逐漸解析，如m6A與干旱脅迫相關(guān)［75]，m5C與高溫脅迫相關(guān)［80]，但RNA甲基化在玉米響應(yīng)非生物脅迫中的作用還未被解析，因此解析RNA修飾在玉米中的功能是探索玉米發(fā)育過程中的新方向（圖1）。

圖1 玉米中表觀遺傳機(jī)制Fig. 1 Epigenetic mechanism in maize

表觀遺傳變異是通過表觀修飾的可遺傳變化來調(diào)控基因表達(dá)，從而影響生物體表型［120]，表觀遺傳變異也是表型變異的一個(gè)重要來源。植物中有很多基因易受到表觀遺傳變異，其中擬南芥Qua-Quine Starch（QQS）基因在自然界中經(jīng)常發(fā)生表觀遺傳變異，該基因主要參與淀粉代謝［120]。表觀遺傳變異也將導(dǎo)致不同基因型出現(xiàn)表達(dá)水平差異［121]，使基因能夠以比突變更快的可遺傳方式調(diào)整其表達(dá)，這種變異同時(shí)還保留了快速逆轉(zhuǎn)的可能。盡管，自發(fā)的表觀遺傳變異被認(rèn)為是不穩(wěn)定的，但有利的表觀變異有可能通過DNA序列的可遺傳變異而變得穩(wěn)定。通過表觀編輯技術(shù)對(duì)表觀遺傳變異位點(diǎn)進(jìn)行改造也可以達(dá)到調(diào)控基因表達(dá)的目的。玉米有著比擬南芥和水稻更大的基因組，富含大量的轉(zhuǎn)座子，在表型和遺傳變異方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此探索玉米表觀遺傳信息，發(fā)掘有利的表觀變異位點(diǎn)，通過表觀編輯等技術(shù)對(duì)表觀修飾進(jìn)行改造，這將是提高玉米產(chǎn)量的新方式。