表观遗传修饰将挽救美国棉花

棉花是世界排名第一的纤维作物，全球150多个国家参与棉花进出口贸易。在美国，棉花的经济收入超过1000亿美元。但随着棉花价格下降和天气的不可预测，美国棉农进入了一个艰难的时期。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Z. Jeffrey Chen领衔的新研究或许能为这个行业提供一个机会。他们团队在育种方式上走出了新的一步——通过表观遗传修饰可以产生更多的棉花。

近几十年来，科学家们发现，生物的许多特性不仅仅受其基因的控制，即写在它们DNA里的序列，还受DNA之外的过程控制，其决定了基因表达的有无、何时表达以及多少表达等，即表观遗传学。

这就打开了培育动植物全新路径的可能性。利用表观遗传学方法和技术进行可遗传性修饰，育种者就能在不改变基因的情况下创造新的品种。

这项研究发表在《基因组生物学》上，Chen和得克萨斯农机大学、中国南京农业大学的科研人员首次绘制出棉花表观遗传基因的“甲基化基因图谱”。

科研人员发现，在野生棉花品种和驯化棉花之间有超过500多种表观遗传基因的差异，其中一些已知与农艺及驯化性状有关系。这些信息有助于育种者选择其想要改变的各种性状，如纤维产量，抗旱、耐热或虫害。

例如，野生棉花品种可能携带基因帮助它们更好地对抗干旱，但在已驯化的棉花上则表观遗传沉默。

“明白了这一点将允许我们以表观遗传育种来补充现有的育种途径。”分子生物学系植物分子遗传学副教授Chen表示，“自从我们知道了表观遗传变化如何影响开花和应激反应，我们就可以在驯化棉花上重新激活响应基因。”

DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰过程，为人们提供了想要通过表观遗传修饰改造植物的重要线索。

这项研究识别出500多种与DNA甲基化过程有关的基因开关列表。其涵盖了最为广泛的棉花种植品种，如陆地棉或美国棉，其亲缘皮玛棉或埃及棉，以及野生远亲，并展示了这些植物100万年来进化过程中的表观基因变化。

研究人员发现，DNA甲基化发生了改变，因为野生品种混合形成了杂交种，杂交种后代适应了环境变化，人们最后驯化了它们，产生了现代的陆地棉、皮玛棉等。“知道甲基化在进化驯化过程中的改变，将帮助我们推动这一技术成为现实。”Chen说。

这对育种专家来说也是个好消息，他们希望今天的变化不会在后代中迅速消失。

他们还发现，野生棉花内的一种甲基化基因能阻止棉花开花，而已驯化棉花中的这种基因已去甲基化，导致了棉花从热带植物变成在世界多数地区“安家”的普适性农作物，这种关键性突变不是遗传变异，而是表观遗传变异。

这项新研究建立在迄今为止最完整的美国棉（或陆地棉）基因序列图上，这是Chen和他的合作者在2015年开发的。

Chen表示，参照这一最新“甲基化基因图谱”，育种专家可通过化学方法或CRISPR-Cas9等技术进行基因甲基化修饰，靶向培育出改良品种，同样的方法也可用于小麦、咖啡、土豆和玉米等主要农作物育种。