人类在确保粮食安全方面正面临诸多挑战，包括：人口的增长、可耕地和水资源的减少、气候变化、环境污染以及突发的公共卫生安全等。保障全球粮食安全需要不断的提高育种科技。在过去的半个世纪中，植物育种主要依赖于遗传等位基因的选择和组合，从而显著提升了作物产量。最新研究表明，表观等位基因的产生和组合将成为植物育种的下一前沿。然而，目前缺乏在植物中编辑 DNA 甲基化以创造表观等位基因的工具，这已成为推进植物表观遗传育种的主要障碍。
此外，DNA 甲基化编辑工具在DNA 甲基化功能研究中同样至关重要，它能够确保仅在特定位点发生甲基化改变，从而有助于明确 DNA 甲基化与表型之间的因果关系。
近日，南方科技大学朱健康团队在Nature Communications杂志上在线发表题为Versatile molecular tools enabling customizable DNA methylation editing inArabidopsis的研究论文。该研究聚焦植物基因组DNA甲基化编辑工具的开发，利用失活的Cas9以及各种效应子和辅因子，成功开发了多种DNA甲基化和去甲基化工具，使得各种形式和目标的DNA甲基化编辑成为可能，为植物表观遗传研究和育种提供了强有力的技术支持。
该研究选取了一系列 DNA 甲基化酶（包括哺乳动物的 DNMT3A–3L、植物的 DRM2 以及细菌的 MQ1）和 DNA 去甲基化酶（包括植物的 ROS 1与哺乳动物的 TET1）作为效应子，并将它们融合至 dCas9 的 N 端；同时，将多种参与表观遗传调控的蛋白作为辅因子融合于 dCas9 的 C 端。通过不同效应子与辅因子的组合，研究者构建了近 100 个 DNA 甲基化候选编辑器，最终成功获得了 5 个实用的DNA 甲基化工具和 6 个DNA去甲基化工具。值得强调的是，ROS1 是朱健康实验室在 20多年前发现的全球首个 DNA 去甲基化酶【1】。2017 年，Parrilla-Doblas 等人利用 ROS1 在哺乳动物细胞内实现了对瞬转质粒 DNA 的靶向去甲基化【2】。然而，至今尚无利用 ROS1 对染色质DNA进行靶向去甲基化的报道。本研究首次利用 ROS1 成功实现了对染色质DNA 的靶向去甲基化。
这些工具不仅能够在特定基因组区域实现靶向甲基化或去甲基化，也具备在全基因组范围内进行 DNA 甲基化重塑的能力。多样化的编辑工具使可定制的 DNA 甲基化编辑成为可能，为 DNA 甲基化功能研究和植物表观育种开辟了新的途径。
研究植物基因组中特定区域的 DNA 甲基化功能时，可选择高特异性的工具，对感兴趣的位点进行精确的甲基化或去甲基化操作；需要在全基因组范围内创造新的表观突变，用于创制新的表观等位基因或筛选受 DNA 甲基化调控的性状时，则可使用具备全基因组编辑能力的工具。
原中国科学院分子植物科学卓越创新中心何力副研究员（现德国马普所Detlef Weigel实验室博士后）、南方科技大学郎曌博教授以及朱健康教授为共同通讯作者。何力和中国科学院分子植物科学卓越创新中心已毕业博士生姚瑶（现深圳大学杜璇实验室博士后）为共同第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生游银，南方科技大学博士生蔚晓飞，南方科技大学博士后马宇以及德国马普所袁韡参与了本项研究。本研究获得了国家自然科学基金及广东省、深圳市相关基金的支持。
参考文献：
1.Gong, Z. et al. ROS1, a Repressor of Transcriptional Gene Silencing in Arabidopsis, Encodes a DNA Glycosylase/Lyase. Cell111, 803-814, doi:https://doi.org/10.1016/S0092-8674(02)01133-9 (2002).
2.Parrilla-Doblas, J. T., Ariza, R. R. & Roldan-Arjona, T. Targeted DNA demethylation in human cells by fusion of a plant 5-methylcytosine DNA glycosylase to a sequence-specific DNA binding domain. Epigenetics12, 296-303, doi:10.1080/15592294.2017.1294306 (2017).
https://www.nature.com/articles/s41467-025-66933-z
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