作物育种的核心在于探索和应用遗传变异。过去的一百年里，各类作物的育种技术有了显著的进步。尽管遗传变异已广泛应用于作物改良，但表观遗传变异的应用尚处于起步阶段。表观遗传学是指在不改变DNA序列的情况下，基因表达发生变化并能传递给下一代的现象，它允许在不改变基因型的情况下实现表型的变化。常见的表观遗传现象包括副突变、转基因沉默、基因印记以及转座子失活等。随着表观遗传学研究的不断深入，通过操控植物的甲基化状态来创造具有特定表观遗传特征的个体，对于作物育种和科学研究都具有重要意义。例如，通过建立表观遗传重组自交系(epiRIL)，研究人员能够更好地理解表观遗传修饰的影响。Non-CG DNA甲基化是植物特有的一种表观遗传标记，其调控主要依赖于chromomethylase (CMT)酶，在诸如拟南芥和水稻等植物中已有广泛研究。但是，non-CG DNA甲基化如何影响作物的农艺性状，以及其具体作用还需要进一步研究。
近期，华中农业大学王旭彤教授团队与东北师范大学刘宝教授团队合作，在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表了一篇题为“Non-CG DNA hypomethylation promotes photosynthesis and nitrogen fixation in soybean”的研究论文。这项研究揭示了non-CG DNA甲基化在大豆生长发育过程中所起的表观遗传作用，提出了一种新的策略以提高大豆的产量和营养价值。
研究团队使用CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了一个缺乏所有CMT基因功能的大豆突变体——Gmcmt。这个突变体在non-CG DNA甲基化位点显示出显著的低甲基化水平，这导致了染色质可及性的增加，并显著改变了多个功能相关基因的表达，其中包括GOLDEN-LIKE10 (GmGLK10)。这些基因表达的变化不仅增强了光合作用效率，还意外地提高了根瘤菌的固氮效率。此外，Gmcmt突变体生产出更大、蛋白质含量更高的种子。这些分子层面的调整最终实现了大豆种子产量和品质的双重提升，证明了non-CG DNA甲基化在提高作物产量方面的关键作用，同时也展现了表观遗传修饰在农业实践中优化作物性状的潜力。
Gmcmt突变体促进大豆光合作用和固氮效率的模式图
该研究由华中农业大学的王旭彤教授、普渡大学的马渐新教授以及东北师范大学的刘宝教授共同通讯。东北师范大学的师资博士后寻红卫博士是论文的第一作者，而华中农业大学的远璟博士、硕士生王雅迪、博士生冯万杰、连力洁以及东北师范大学的硕士生刘姝涵和洪建慧也参与了这项研究。本研究得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基础科研经费和中国博士后科学基金的支持。
