综述：植物生物技术中与顽固性相关的表观遗传因素

本综述深入探讨了植物离体再生中由表观遗传机制介导的顽固性现象，重点聚焦体细胞胚胎发生（SE）和遗传转化两大技术瓶颈。作者系统阐释了DNA甲基化（如MET1、DRM）、组蛋白修饰（如H3K27me3、H3K9me2）以及染色质重塑复合物（PRC1/2）对关键再生基因（如LEC1、WUS、BBM）的调控作用，并提出利用CRISPR/dCas表观编辑工具（如靶向甲基化/去甲基化系统、组蛋白乙酰化调控）和形态发生基因（如GRF-GIF嵌合体）协同策略突破再生障碍，为作物遗传改良提供新范式。

　　

表观遗传调控在植物再生顽固性中的作用机制

引言

植物离体培养技术虽在多种物种中取得成功，但在大豆、大麦、水稻等经济作物中仍存在严重的再生障碍现象，表现为器官发生或体细胞胚胎发生（SE）效率低下，以及遗传转化后转基因植株再生困难。这种顽固性严重限制了基因功能研究和育种应用。近年研究表明，表观遗传调控机制在细胞重编程过程中起核心作用，其动态变化直接影响植物的再生能力。

表观遗传对体细胞胚胎发生顽固性的调控

DNA甲基化在体细胞胚胎发生中的作用

DNA甲基化状态通过调控基因表达决定体细胞的胚胎发生潜能。研究表明，胚胎发生相关基因（如BBM、LEC1、LEC2、SERK和WUS）的上调常伴随全局DNA甲基化水平降低。在胡萝卜和拟南芥中，2,4-D通过调节乙烯合成影响S-腺苷甲氨酸积累，进而改变DNA甲基转移酶（如CMT3、DRM、MET1）和去甲基化酶（如DME、DML2）的表达活性。突变体分析证实，DRM和MET1功能缺失可增强胚胎发生特性，表明de novo甲基化过程对SE具有关键调控作用。此外，发育过程中DNA甲基化水平与组织分化程度呈正相关，未分化组织（如合子胚）甲基化程度较低且更具胚胎发生潜力。

组蛋白修饰的动态调控

组蛋白甲基化（如H3K9me2/3、H3K27me3）和乙酰化（H3Ac、H4Ac）通过改变染色质结构调控基因可及性。PRC2介导的H3K27me3标记通过抑制LEC1、BBM1等关键基因表达阻碍细胞重编程。在拟南芥中，消除H3K27me3可激活LEC1表达，而BIX-01294（组蛋白甲基转移酶抑制剂）可通过抑制H3K9me2诱导SE。组蛋白去乙酰化酶（HDAC）与PRC2形成复合物共同抑制胚胎发生，使用抑制剂TSA可促进针叶树和小麦的胚胎结构发育。研究还发现，auxin生物合成基因YUC1/YUC10的表达受组蛋白乙酰化正向调控，揭示了激素与表观遗传的交叉对话。

CRISPR介导的表观遗传编辑技术

CRISPR/dCas系统为精准调控表观遗传状态提供新工具。通过融合甲基转移酶（如MQ1）或去甲基化酶可实现靶向DNA甲基化编辑；而dCas9与组蛋白修饰酶（如乙酰转移酶）结合可特异性激活或抑制靶基因。诱导型CRISPRa系统（如β-雌二醇诱导）可实现多基因协同激活，显著提升再生效率。这些技术为解析SE相关基因的 epigenetic landscape 和克服基因型依赖性提供了突破性策略。

遗传转化顽固性的成因与对策

转化顽固性主要表现为转化后植株再生率骤降，而非DNA递送效率问题。抗生素诱导的DNA超甲基化是关键因素，如潮霉素、头孢霉素可引起时间与剂量依赖性的甲基化累积。优化抗生素使用策略及添加去甲基化试剂（如5-氮杂胞苷）可有效改善再生。此外，形态发生基因（如WUS2、BBM、GRF-GIF嵌合体）的瞬时表达系统通过激活内源再生通路显著提升转化效率。"利他转化法"通过独立农杆菌菌株分别递送形态发生基因和筛选标记，避免外源基因整合，成功应用于玉米等作物。

结论与展望

表观遗传修饰在植物细胞重编程中兼具灵活性与稳定性，其动态变化直接影响离体再生效率。通过整合多组学分析与CRISPR介导的表观编辑技术，有望精准调控关键基因（如LEC、WOX、PIN）的 epigenetic status，突破物种和基因型限制。未来需深入解析PRC/TrxG复合物与激素信号的互作网络，开发高效、可逆的表观遗传操控工具，推动植物生物技术向精准设计育种迈进。