综述：植物染色质与转录组工程的调控策略、挑战与展望

本综述系统探讨了植物染色质工程的前沿策略与应用前景，重点介绍了通过靶向（如dCas9-SunTag系统）和非靶向（如化学去甲基化或胁迫诱导）手段调控DNA甲基化（DNA methylation）、组蛋白修饰（如H3K4me3/H3K27me3）等表观遗传标记的核心技术，及其在作物抗逆性（如冷耐受）、开花时间调控（如FLC基因）和性状改良中的突破性进展，为农业育种和表观遗传研究提供全新视角。

　　

引言

植物通过调控染色质可及性实现对转录组的精密控制，这一过程依赖于对DNA和组蛋白的化学修饰。染色质由约146bp的DNA缠绕组蛋白八聚体形成核心核小体单元，其修饰包括DNA甲基化、组蛋白变体替换以及组蛋白尾部的翻译后修饰（PTMs），如乙酰化（ac）、甲基化（me）和磷酸化等。这些表观遗传标记（如H3K9ac、H3K27me3）能够动态调节基因表达，而不改变DNA序列本身，从而在植物发育和环境响应中发挥关键作用。例如，拟南芥的春化过程通过调控FLOWERING LOCUS C（FLC）基因位点的组蛋白修饰状态（从激活态的H2A.Z、H3K4me3转变为抑制态的H3K27me3）精确控制开花时间。表观遗传修饰因此成为工程化调控基因表达的重要靶点，尤其适用于DNA编辑可能导致有害表型或表型本身源于表观遗传变化的场景。

染色质工程策略

非靶向表观遗传工程

非靶向策略通过全局性改变表观遗传景观来产生可遗传的变异。例如，通过化学去甲基化剂处理或与甲基转移酶突变体杂交，可创建全基因组DNA甲基化变异的植株，进而利用表观重组自交系（epiRILs）技术筛选具有特定表观性状的后代。此外，诱导性过表达表观修饰酶（如ROS1去甲基酶）可在特定胁迫条件下模拟自然应答，引发跨代“ priming”效应，增强抗逆性。研究表明，水稻经三代低温胁迫筛选后，AQUIRED COLD TOLERANCE 1（ACT1）位点的DNA甲基化状态发生稳定改变，与地理适应密切相关。这类策略的优势在于能够同时调控多个基因座（如整个转座子家族），模拟生物自然响应机制，为作物抗逆育种提供新途径。

靶向表观遗传工程

靶向工具能够精确操控特定基因座的表观状态。人工锌指蛋白（ZF）是最早应用的定向结合系统，虽存在脱靶风险，但其易于构建和筛选的特性使其成为催化域功能测试的高效平台。例如，通过ZF融合库筛选，研究人员一次性鉴定了14个新型染色质调控工具，其中许多可进一步适配于dCas9系统。CRISPR/dCas9系统则提供了更高的特异性和灵活性，通过设计guide RNA即可重定向结合位点。其中，SunTag系统利用多价scFV抗体招募多个效应域（如去甲基化酶TET1cd或甲基化酶DRM2），可模拟内源复合物功能。例如，靶向募集MBD6的StkyC结构域可诱导局部蛋白聚集，实现基因沉默，验证了甲基化依赖的沉默模型。此类工具已成功应用于水稻、番茄、木薯和菊花等作物，用于调控抗病性、开花时间及花色等农艺性状。

挑战与展望

当前植物染色质工程面临四大核心挑战：其一，如何将表观标记与传统遗传标记整合，建立表观辅助育种体系；其二，缺乏适用于非模式作物的转基因递送系统；其三，需开发模块化、可互操作的工具组装平台（如Golden Gate系统），以支持多标记协同编辑；其四，需深入解析表观标记的协同效应（如H3K4me3与DNA去甲基化的耦合机制），并开发同步操控多项标记的技术。未来研究需拓展可工程化的表观标记类型（目前仅覆盖部分DNA甲基化和组蛋白修饰），并加强对作物特异表观调控网络的解析。随着工具优化和机制深入，染色质工程有望成为作物改良和合成生物学领域的核心驱动力。

结语

染色质工程为植物功能研究和农业应用提供了强大工具。从非靶向的表观变异筛选到靶向的精密编辑，多项技术已证明其在调控基因表达和创造新性状方面的潜力。突破现有技术瓶颈、拓展作物物种中的应用、深化对表观协同机制的认知，将共同推动这一领域向更高精度和更广维度发展。