《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Regulatory Mechanisms》：Advancing crop resilience to environmental stresses: Insights from epigenetic modification and CRISPR/dCas9-based editing
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本综述系统探讨了植物在干旱、盐碱及极端温度胁迫下表观遗传调控机制（如DNA甲基化、组蛋白修饰、RNA修饰及非编码RNA）的关键作用，并重点介绍了基于CRISPR/dCas9的表观基因组编辑技术（如SunTag系统）在精准调控胁迫响应基因（如AREB1、HKT1）中的应用前景。通过整合多组学数据与新型基因组技术（NGTs），为开发具有“胁迫记忆”能力的抗逆作物提供了创新策略，对保障全球粮食安全具有重要科学价值。
1. 引言
作为固着生物，植物长期暴露于多种非生物胁迫（如干旱、盐碱、极端温度），这些胁迫通过诱导生理生化及分子层面的适应性调整影响其生存。表观遗传修饰可在不改变DNA序列的前提下调控基因表达，并形成“胁迫记忆”，使植物对重复胁迫产生更高效的响应。近年来，基于CRISPR/dCas9的基因编辑技术能够精准靶向表观遗传标记，为作物抗逆育种提供了新途径。
2. 胁迫响应中的表观遗传机制
染色质修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰）可正向或负向调控基因表达，且胁迫诱导的修饰标记在胁迫解除后仍可维持，甚至通过跨代表观遗传传递给后代。此类修饰与胁迫记忆的形成密切相关，是植物适应动态环境的核心机制。
3. DNA甲基化
DNA甲基化主要发生在胞嘧啶的5号碳位点（5mC），在植物中涉及CG、CHG、CHH三种序列上下文。其维持依赖MET1、CMT2/3等甲基转移酶，并通过RNA导向的DNA甲基化（RdDM）途径靶向转座子沉默以维持基因组稳定性。
4. 干旱、温度及盐胁迫下的DNA甲基化
干旱胁迫可诱导基因启动子区超甲基化（如番茄DREB2A）或基因体低甲基化（如杨树），调控胁迫响应基因表达。高温胁迫通过改变热激蛋白（HSPs）基因的甲基化状态影响植物耐热性；低温胁迫则通过CBF-COR通路中甲基化动态调节冷驯化能力。盐胁迫下，耐盐基因型（如水稻）常呈现全基因组低甲基化，而敏感型则出现高甲基化，HKT1等离子转运基因的甲基化状态直接关联钠离子稳态。
5. 组蛋白修饰
组蛋白尾部的共价修饰（如H3K4me3、H3K27me3、H3K9ac）通过改变染色质构象调控基因转录。通常，H3K4me3和H3K9ac与基因激活相关，而H3K27me3介导转录抑制。
6. 胁迫下的组蛋白修饰动态
干旱胁迫下，RD29A、NCED3等基因启动子区H3K4me3和H3K9ac富集，且修饰程度与胁迫强度正相关。高温胁迫诱导H3K4me3在HSP基因座累积，依赖HSFA2通路；低温通过HOS15介导的组蛋白去乙酰化酶降解激活COR基因。盐胁迫下，组蛋白修饰酶（如GCN5、HDA6）通过调节MYB54等基因的H3K9ac水平影响耐盐性。
7. RNA修饰
m6A等RNA修饰通过“书写器”（如MTA）、“阅读器”（如ECT8）及“擦除器”（如ALKBH10B）动态调控胁迫响应mRNA的稳定性与翻译效率，在植物适应干旱、盐碱及温度胁迫中发挥重要作用。
8. 非编码RNA的调控功能
miRNA（如miR169、miR398）和siRNA通过转录后沉默或激活靶基因（如NFYA5、CSD1）精细调控胁迫应答通路。其表达具有物种特异性，同一家族成员可能对胁迫呈现相反调控模式。
9. 表观遗传记忆及其应用
前期温和胁迫诱导的表观修饰可形成短期或跨代记忆，如H3K4me3的持续富集或DNA甲基化模式的遗传。此类记忆机制可通过表观基因组编辑工具定向强化，用于设计“预适应”作物。
10. 表观基因组编辑与作物育种
dCas9与表观效应器（如DNMT3A、TET1、p300）融合可实现靶向DNA甲基化/去甲基化或组蛋白乙酰化，精准调控AREB1、AVP1等抗逆基因表达。在拟南芥中，dCas9-HAT1靶向AREB1启动子显著提升抗旱性，展示出表观编辑在作物改良中的潜力。
11. 技术挑战与伦理考量
CRISPR/dCas9应用面临编辑效率物种差异、嵌合体、脱靶效应及表观修饰稳定性等挑战。其推广需结合多组学验证、优化递送系统，并建立兼顾创新与安全的国际监管框架。
12. 展望
整合表观遗传学与基因组编辑技术将加速抗逆作物的设计，通过定向优化“胁迫记忆”通路，培育适应气候变化的新种质，为可持续农业提供核心支撑。
