DNA甲基化在植物响应重金属胁迫中的作用

2016-03-29，，，，，

种子 2016年12期

关键词：甲基化基因组重金属

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(内蒙古科技大学生命科学与技术学院，内蒙古包头 014010)

·综述·

DNA甲基化在植物响应重金属胁迫中的作用

赵一博，辛翠花，赵慧，张琦，池俊玲，郭江波

(内蒙古科技大学生命科学与技术学院，内蒙古包头 014010)

重金属是一类主要的环境污染物，可通过食物链进入人体危害人类健康。DNA甲基化是表观遗传修饰的主要形式之一，参与调控细胞内基因的表达。本文分析了重金属镉(Cd)和铅(Pb)胁迫对植物基因组DNA甲基化的影响，总结了DNA甲基化调控植物响应重金属胁迫的生物学机制，探讨了研究植物基因组DNA甲基化与重金属胁迫之间关系的策略。

DNA甲基化；重金属；胁迫；调控

重金属是指密度大于5 g/cm3的一类金属元素，大约有53种，如镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)和锰(Mn)等[1]。随着工农业以及城市化的快速发展，重金属污染问题日益严重，已成为世界性严重的环境问题。大多数重金属不是生物体必需元素，体内过量积累会引发各类问题。由于植物的不可移动性，使其更易遭受到重金属的毒害。重金属进入植物中，引发生理生化代谢紊乱、DNA损伤及细胞的遗传毒害等，导致植物生长受限，影响其产量和质量。而且重金属离子会在植物体内累积，通过食物链进入人体，直接危及人体的健康甚至生命安全。

DNA甲基化由甲基转移酶催化，主要在CG 2个核苷酸的胞嘧啶选择性地添加甲基，形成5-甲基胞嘧啶，能使DNA的构象、稳定性、染色质结构以及DNA与蛋白质之间的相互作用方式发生变化。DNA甲基化虽然不改变DNA的序列，但会影响相关基因的表达。DNA甲基化参与基因表达调控、基因组印记和染色体结构重组等多种生物学过程。本文通过介绍重金属对植物的危害、DNA甲基化的概念以及重金属镉(Cd)和铅(Pb)胁迫对植物基因组DNA甲基化的影响，以期为受DNA甲基化调控的相关基因在响应重金属胁迫过程中的作用研究提供理论支持。

1 重金属的危害

重金属是一类主要的环境污染物，具有分布范围广、持续时间长、易扩散、难分解、毒性大、容易被生物富集等特性。重金属可通过富集作用存在于植物中，并由自然界的食物链最终进入动物及人体内，给人类的生命健康埋下隐患[2]。由于植物在生长过程中的不可移动性导致了其在生长发育过程中更易受到重金属的胁迫。植物与重金属接触的界面首先受到影响，且重金属离子的浓度及其种类影响着植物的受损程度。重金属胁迫可对植物的形态、生长发育、生理生化和遗传效应[3-4]等产生影响。

1.1 重金属对植物生长发育的作用

重金属的种类及浓度对植物种子的萌发、幼苗生长和发育影响不同。例如，张睿研究了重金属铬对苦荞种子萌发的影响，结果表明，随着铬浓度的增大，苦荞种子的发芽率和发芽势逐渐下降，说明重金属铬对苦荞种子萌发有一定的毒害作用[5]。重金属Cd、Pb对植物生长发育的影响，在一定浓度范围内表现出低浓度促进高浓度抑制的作用。如韦新东等研究Cd和Pb对白三叶幼苗生长特性的影响，结果表明，Cd和Pb胁迫对白三叶幼苗的苗长、根长和苗重均有严重影响，且随Cd和Pb浓度的增加，抑制作用越明显[6]。刘文英等研究重金属铜对菠菜的影响，结果表明，低浓度的Cu对菠菜的生长起促进作用，但是当浓度继续增大，菠菜的鲜重、干重均呈减小的趋势；且随浓度的增加，菠菜叶绿素的含量先增加后减少，而可溶性蛋白的含量则随着浓度的增加先减少后增加[7]。重金属对植物的毒害可能是与核酸、蛋白质等生物大分子结合，使活性降低；亦或是由于重金属干扰了植物体内原有的离子平衡体系，使其生理代谢紊乱，从而影响植物的生长发育[8]。

1.2 重金属对植物生理生化的作用

在一定浓度范围外，重金属胁迫才会使植物生理生化过程及代谢异常。植物在重金属作用下可产生大量活性氧自由基，这些活性氧自由基与细胞膜上的不饱和脂肪酸相互作用，使细胞膜透性增加，膜两侧物质无阻力进出细胞膜，致使细胞生理生化过程紊乱甚至引起植物的的死亡[9]。重金属胁迫对植物细胞核膜造成损伤，凝集染色质、核仁解体、细胞膜通透性增加、线粒体的呼吸作用和叶绿体的光合作用异常等[10]。

光合作用是植物特有的物质和能量代谢的基础。叶绿素是植物光合作用的基础，重金属对植物光合作用的影响主要是抑制或破坏叶绿素的合成[11]。徐国聪等用重金属铀处理菠菜叶片的研究结果表明，当铀处于低浓度时，其叶绿素含量和光合效率显著增加，可能是叶绿体合成酶活性得以提高，从而提高叶绿素的含量；而当铀处于高浓度时，则抑制菠菜叶片的光合作用，可能是叶绿体的结构遭到破坏或是抑制了合成叶绿素所需的离子及酶的活性，使其含量及光和效率降低[12]。

重金属对植物呼吸作用的影响显著。不仅破坏线粒体的结构和功能，还会抑制与呼吸作用相关的酶类，使植物的呼吸作用降低。葛才林等用Cd对水稻进行胁迫处理，发现2种水稻叶片和根系的呼吸速率与对照组相比明显下降，原因是重金属离子抑制了细胞色素氧化酶同工酶的表达[13]。郭江波等研究表明，重金属达到一定含量时会抑制呼吸作用，造成植物呼吸作用紊乱，供能减少[14]。

植物遭受重金属胁迫后可引起体内可溶性糖、蛋白质和脯氨酸的变化。张继飞等研究表明，粗梗水厥叶片蛋白质的含量及合成速度随镉浓度的升高而降低，可能是抑制了合成蛋白质所需的核糖核蛋白体[15]。刘明久等研究表明，低浓度的铅可促进水稻种子的萌发，高浓度的铅则起抑制作用，可能是高浓度的铅影响了分解蛋白质的蛋白酶的活性，使蛋白质不能提供种子萌发所需的能量[16]。

1.3 重金属对植物DNA的影响

DNA是遗传信息的载体，当生物遭受重金属胁迫时，DNA可能会受到直接或间接的损伤。重金属对DNA的直接损伤主要有：碱基改变、错配、插入或缺失，DNA单双链断裂及DNA链内和链间交联等[17]；重金属对植物DNA的间接损伤主要是诱导自由基的产生及影响基因的表达。这些活性氧自由基通过夺取脱氧核糖上的氢原子，使DNA链中的磷酸二酯键和糖苷键断裂，对DNA造成损伤[2]。研究表明，活性氧自由基是夺氢导致DNA损伤的主要因素[18]，并最终影响基因的表达与调控。此外，重金属胁迫还可引起DNA甲基化发生变化，干扰遗传信息的传递。

2 植物DNA甲基化修饰

2.1 DNA甲基化的特征及维持机制

DNA甲基化是生物体DNA复制后，在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase，DNMT)催化下以S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl methionine,SAM)为甲基供体，将DNA分子碱基与S-腺苷甲硫氨酸上的甲基基团(—CH3)连接到一起的过程[19]。甲基化修饰后可形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)、N 6-甲基腺嘌呤(N 6-mA)和7-甲基鸟嘌呤(7-mG)，在植物中主要以5-甲基胞嘧啶(5-mC)的形式存在[20]。DNA甲基化包括3种不同的序列位点，有对称的CG和CHG位点以及非对称的CHH位点(H=C、T或者A)[21]。植物中，CG、CHG和CHH位点均可发生广泛的甲基化。在CpG岛、CHG和CHH区域的发生的DNA甲基化，主要是为了抑制并保护基因组DNA而产生的甲基化重复序列；而发生在转录区域DNA的甲基化，主要是根据甲基化水平来调节基因的转录水平[22]。植物DNA甲基化有重新甲基化和维持甲基化2种方式。重新甲基化是在甲基化酶的催化作用下，使DNA子链中原母链并未甲基化的胞嘧啶位点发生甲基化；而维持甲基化是将甲基从S-腺苷甲硫氨酸催化转移到未发生甲基化的胞嘧啶环上，使其完全甲基化[23]。植物中主要有甲基化转移酶I(MET 1)、染色质甲基化酶(CMT)和结构域重新甲基化酶(DRM)3类甲基转移酶[24]。

2.2 植物DNA甲基化的生物学意义

DNA甲基化在基因表达调控、细胞分化、基因组印记、转基因沉默、染色质失活和胁迫响应等生命过程中起着非常重要的调节作用[25]。植物在长期的进化过程中，产生了各种应对非生物胁迫的方法。DNA甲基化在植物处于生物胁迫和非生物胁迫时，可调控相关基因的表达使植物渡过胁迫[26]。在植物的生长过程中，植物可通过甲基化和去甲基化等方式来调节基因的表达，即在植物需要时表达该基因，不需要时关闭该基因，从而使其参与到植物中更多重要的生命过程中[27]。

2.3 重金属Cd和Pb对植物甲基化的影响

重金属Pb、Cd广泛存在于自然界，一般含量不高，在正常环境中不会影响人体健康。随着矿产资源的大量开发以及农药和化肥的广泛使用，导致Pb、Cd不断地进入环境中，成为许多国家的环境和社会问题。对植物而言，重金属胁迫可导致DNA甲基化水平发生改变。

2.3.1 Cd对植物甲基化的影响

镉(Cd)是一种强毒性的重金属，正常条件下，植物体内镉含量一般不超过1 mg/kg。它不是植物生长发育必需的元素，但易被植物吸收和富集，对生物体的毒害具有隐蔽性和累积性，不仅影响植物的生长发育，还会危害人类健康[28]。Noushina等研究发现，过量的Cd能抑制种子萌发和幼苗生长、破坏活性氧的防御系统、诱导活性氧产生、导致膜脂过氧化和使生物体DNA甲基化发生变化等[29]。

甲基敏感扩增多态性(Methylation-sensitive amplified polymorphism,MSAP)技术操作简便、多态性高，即使DNA序列信息未知，也能在全基因组范围内检测到胞嘧啶甲基化程度。目前MSAP技术已成为检测基因组甲基化水平和状态变化的重要方法之一，已成功应用于多种动植物中[30]。

杨金兰等[31]、王子成等[32]研究证实了植物在重金属Cd胁迫处理前后DNA甲基化水平发生了改变。他们运用MSAP技术研究重金属Cd胁迫后，对萝卜基因组DNA和拟南芥基因组DNA甲基化变化程度，发现总甲基化水平的增加与Cd处理浓度呈显著正相关，且引起的植株基因组DNA甲基化程度的提高主要是重新甲基化。而郭丹蒂[33]对中华水韭的研究则相反，Cd的浓度与中华水韭DNA甲基化程度的增加呈负相关，说明重金属Cd能够诱导中华水韭基因组DNA去甲基化。Cd胁迫还能引起小麦DNA甲基化水平改变，进而造成基因调控紊乱和蛋白质合成受抑制。葛才林等研究表明，当Cd浓度在0.025～0.1 mmol/L之间，小麦叶片蛋白质含量随Cd浓度的增高而大幅度下降，这和相应Cd浓度范围内小麦叶片内DNA甲基化水平大幅度上升的趋势相对应[34]。

上述研究表明，DNA甲基化在植物响应重金属胁迫中起着重要的调控作用。甲基化水平的异常会引起植物物质和能量代谢的紊乱。当受到逆境胁迫后，植物体通过甲基化的改变的调控机制，将毒害降低、变小，从而有利于植株的生长发育、繁殖。

2.3.2 Pb对植物甲基化的影响

铅(Pb)是生物体的非必需元素，毒性极强，我国采矿、冶炼及工业废水污染点附近地区的农田Pb污染非常严重并呈逐年上升趋势。Pb可引起DNA链损伤、断裂、酶活性变化、诱导细胞凋亡和甲基化等，严重影响植物正常生理代谢及人类健康。

郭丹蒂[33]研究报道，铅胁迫可导致中华水韭DNA甲基化程度的增加，但与重金属浓度无显著相关性。说明铅能够诱导中华水韭基因组DNA甲基化水平增加。何玲莉等研究结果表明，萝卜肉质根中总甲基化水平随Pb处理浓度上升而提高，且甲基化程度的提高主要是重新甲基化所致[35]。

DNA甲基化由多种外在和内在因素决定。当植物受到重金属胁迫时，通过甲基化水平的上调或下降来调控相关基因的表达，激活重金属胁迫的应激机制，从而增强植物体对重金属胁迫的抵抗力。

3 展望

DNA甲基化作为植物体内一种保守的表观遗传修饰，在维持基因组的稳定性、调节植物体内基因表达和植物形态建成等方面起重要作用。植物在受到重金属胁迫时，会产生相应的防御机制减少来自外界的伤害，以保护其自身。DNA甲基化和去甲基化在调节植物生长发育和响应重金属胁迫中起重要作用。DNA去甲基化能够激活某些基因的表达并影响细胞的分化及癌变等。因此，研究DNA甲基化在植物中响应重金属胁迫中的作用具有重要的理论和实践意义。

重金属除对植物DNA氧化损伤外，还会干扰DNA甲基化酶与DNA的相互作用，使DNA甲基化水平异常，不仅影响植物的正常代谢，还可能遗传给后代，对基因表达调控产生严重影响[36]。

目前，重金属对植物的胁迫的研究主要是通过研究植物基因组DNA甲基化水平的变化来分析重金属对其影响，但是对特定基因位点发生改变以及这些基因如何参与胁迫响应机制的研究较少。DNA甲基化水平变化发生在DNA序列的位置不同，如DNA甲基化发生在基因启动子区，还是发生在基因的外显子或是内含子区，对基因表达水平的影响作用不同。目前在植物中没有报道过重金属胁迫对基因内含子和外显子区DNA甲基化水平的影响，也没有报道过基因内含子或外显子甲基化水平变化对基因表达的影响。因此，从DNA甲基化入手，采用更加精细的研究手段，确定受DNA甲基化调控基因的功能及DNA甲基化的调控序列，依然是当前研究植物响应重金属胁迫分子机制的有效途径之一。

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The Role of DNA Methylation in Plant Response to Heavy Metal Stress

ZHAOYibo，XINCuihua，ZHAOHui，ZHANGQi，CHIJunling，GUOJiangbo

2016-07-13

国家自然科学基金项目(编号：31260344)，内蒙古科技大学创新团队专项(编号：209/305040)。

赵一博(1988—)，女，河北石家庄人；硕士研究生，研究方向：植物分子生物学；E-mail:Ruby1902@163.com。