敖 游 (哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江哈爾濱150025)

1942年Waddington首次提出表觀遺傳學(xué)(epigenetics)的概念，指出表觀遺傳與遺傳是相對(duì)的，主要研究基因型與表型的關(guān)系。目前表觀遺傳學(xué)主要研究在DNA序列未發(fā)生變異的情況下，而基因功能卻發(fā)生改變，這種改變可隨細(xì)胞有絲分裂與減數(shù)分裂遺傳下去的現(xiàn)象［1－2］。表觀遺傳變異主要包括DNA和組蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化等共價(jià)修飾及染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化。DNA甲基化(DNA methylation)是真核生物基因組中最常見(jiàn)的一種DNA共價(jià)修飾形式，是表觀遺傳學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，同時(shí)，DNA甲基化對(duì)于很多生物進(jìn)程起重要作用，包括基因和轉(zhuǎn)座子沉默、基因組印記、X染色體失活等［3］。筆者對(duì)小麥基因組DNA甲基化研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 DNA甲基化概述

DNA甲基化是指DNA復(fù)制后，由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase，DNMTs)催化，以S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methfonine，SAM)為甲基(-CH3)供體，將甲基連接到DNA分子的腺嘌呤或胞嘧啶堿基上，進(jìn)行DNA修飾的過(guò)程，此過(guò)程并不改變DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)。

1.1 DNA甲基化酶 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase，Dnmt)是催化和維持DNA 甲基化的酶［4］。目前，已知的植物DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶按照同源性及功能可分三類:①維持DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(MethyltransferaseI，METI)，其首先從擬南芥中分離出來(lái)，如果植物缺失METI，會(huì)出現(xiàn)CG位點(diǎn)甲基化降低現(xiàn)象［5］;②染色質(zhì)甲基化酶(Chromomethylase，CMT)，與METI結(jié)構(gòu)相似，但不同的是其中插入了能與DNA結(jié)合的基序。最初是在擬南芥的AtCMT3基因中發(fā)現(xiàn)CMT成員，在AtCMT3突變體中導(dǎo)致著絲粒區(qū)域CNG位點(diǎn)去甲基化，并激活轉(zhuǎn)座子［6］;③結(jié)構(gòu)域重新甲基化酶(Domains Rearrged Methyltransferase，DRM)，與哺乳動(dòng)物的從頭甲基轉(zhuǎn)移酶(de novo methyltransferase3，DNMT3)家族具有同源性，包括DRM1、DRM2、Zmet3，其作用是對(duì)從頭甲基化DNA與保持轉(zhuǎn)座子及轉(zhuǎn)基因沉默胞嘧啶的甲基化修飾［7］。

1.2 DNA甲基化修飾方式 DNA甲基化修飾方式有2種:一種是維持甲基化，甲基化酶(如METI和CMT)將甲基從SAM催化轉(zhuǎn)移到未甲基化的胞嘧啶堿基的嘧啶環(huán)上，使其完全甲基化。另一種是重新甲基化，甲基化酶(如DRM)催化子鏈中原母鏈并未甲基化的胞嘧啶位點(diǎn)甲基化。兩者都不改變基因組的堿基序列，在一些蛋白質(zhì)或RNA的協(xié)同作用下，調(diào)控基因表達(dá)［8］。

1.3 DNA甲基化檢測(cè) 目前常用的植物DNA甲基化分析的方法有甲基化敏感擴(kuò)增多態(tài)性分析法(MSAP)、高效液相色譜法(HPLC)、亞硫酸鹽測(cè)序法、甲基化敏感限制性內(nèi)切酶結(jié)合Southern雜交分析法等［9－12］。其中 MSAP分析法與HPLC法在植物DNA甲基化水平及狀態(tài)時(shí)應(yīng)用較多。由于植株種類、結(jié)構(gòu)及發(fā)育時(shí)期不同DNA甲基化可能存在差異，使植物DNA甲基化檢測(cè)變得困難，所以需要根據(jù)研究材料選擇合適的檢測(cè)方法。

2 小麥在生物與非生物脅迫下DNA甲基化研究

逆境脅迫是對(duì)植物生長(zhǎng)在各種不利環(huán)境因素下的總稱，如干旱、冷凍、高溫、高鹽、物理化學(xué)誘導(dǎo)等非生物脅迫及病原菌侵染、機(jī)械傷害、病蟲害等生物脅迫。植物在自然生長(zhǎng)過(guò)程中，逆境脅迫不可避免地影響植物的自然生長(zhǎng)。

2.1 小麥在生物脅迫下基因組DNA甲基化變化 生物脅迫為植物提供了一種內(nèi)在表觀遺傳進(jìn)化的動(dòng)力源。分析生物脅迫下DNA甲基化的變異模式，有利于全面了解DNA甲基化在表觀調(diào)控中的生物學(xué)功能。付勝杰等［13］使用葉銹菌脅迫小麥，應(yīng)用MSAP技術(shù)檢測(cè)基因組DNA甲基化，未發(fā)現(xiàn)葉銹菌誘導(dǎo)穩(wěn)定且特異DNA甲基化模式的改變，但發(fā)現(xiàn)抗病品系與其易感病親本之間存在甲基化差異位點(diǎn)，然而，Akimoto等［14］用白葉枯病菌侵染經(jīng)過(guò)5-氮雜胞苷處理過(guò)的水稻，獲得對(duì)水稻白葉枯病具有抗性的穩(wěn)定突變品系。

2.2 小麥在非生物脅迫下基因組DNA甲基化變化

2.2.1 金屬離子脅迫的影響。重金屬能導(dǎo)致人和動(dòng)物疾病的發(fā)生，并影響基因的轉(zhuǎn)錄及表達(dá)，這不僅與重金屬能引起蛋白質(zhì)損傷有關(guān)，同時(shí)與DNA損傷及DNA甲基化異常有關(guān)［15］。葛才林等［16］采用 HPLC法，檢測(cè)了3種不同濃度的重金屬離子(Cu2+、Cd2+、Hg2+)脅迫對(duì)小麥和水稻各器官DNA甲基化的影響，結(jié)果表明，重金屬Cu2+、Cd2+、Hg2+脅迫可明顯改變作物各器官DNA甲基化水平。作物的葉和穗在各濃度Cu2+、Cd2+、Hg2+脅迫下DNA均能處在高甲基化水平，在較低濃度的Cu2+和Cd2+脅迫下小麥根系發(fā)生DNA高甲基化，而在各濃度Hg2+脅迫及較高濃度Cu2+和Cd2+脅迫下小麥根系DNA低甲基化則會(huì)出現(xiàn)。黑淑梅［17］通過(guò)高效液相色譜法檢測(cè)不同濃度Cr6+對(duì)小麥幼苗葉片及根系DNA胞嘧啶甲基化的影響，結(jié)果顯示，用濃度5～80 mg/L的Cr6+處理3 d齡期小麥幼苗根系或濃度5～100 mg/L的Cr6+處理10 d齡期的小麥幼苗根系DNA胞嘧啶甲基化水平均升高，而100 mg/L的Cr6+引起了3 d齡期幼苗的根系DNA胞嘧啶甲基化水平降低［17］。因此，小麥經(jīng)過(guò)重金屬脅迫處理后，植物體為了降低重金屬脅迫的危害，會(huì)產(chǎn)生對(duì)重金屬脅迫的應(yīng)答機(jī)制，可能通過(guò)升高DNA甲基化水平抑制相關(guān)基因的表達(dá)或降低某些位點(diǎn)DNA甲基化而促進(jìn)相關(guān)基因的表達(dá)，形成保護(hù)機(jī)制，增強(qiáng)植物對(duì)脅迫的抵抗能力，利于植株生長(zhǎng)發(fā)育［18］。

2.2.2 低溫脅迫的影響。超低溫保存技術(shù)是在超低溫條件下植物細(xì)胞的代謝活動(dòng)降低或停止，保持生物材料的穩(wěn)定性，在植物種質(zhì)保存中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值［19］。陳芳等［20］將2個(gè)品種的小麥種子與幼苗進(jìn)行處理，即對(duì)照組(不進(jìn)行任何處理)、直接超低溫保存組、玻璃化法超低溫保存組。首先采用AFLP技術(shù)分析超低溫保存前后樣品基因組DNA序列，結(jié)果無(wú)變異發(fā)生。進(jìn)一步采用MSAP技術(shù)分析超低溫保存前后樣品基因組DNA甲基化水平，結(jié)果顯示超低溫保存后的材料中以去甲基化變異為主要趨勢(shì)。因此，低溫脅迫可能會(huì)導(dǎo)致植物基因組DNA發(fā)生去甲基化，因而DNA甲基化水平降低。

2.2.3 鹽脅迫的影響。鹽脅迫在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)健康有序的發(fā)展，因此植物耐鹽適應(yīng)性研究一直作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)［21］。Zhong等［22］采用 MSAP法檢測(cè)小麥耐鹽品種“德抗961”和鹽敏感品種“魯麥15”經(jīng)鹽脅迫后根部的DNA甲基化變化情況，結(jié)果顯示，經(jīng)鹽脅迫處理后DNA甲基化既有升高又有降低，以甲基化降低為主，由此推測(cè)，可能是甲基化降低改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)基因表達(dá)，因而提高了植物的耐鹽性。Azadi等［23］用復(fù)合區(qū)間作圖法等分子標(biāo)記技術(shù)繪制出在鹽脅迫條件下提高小麥糧食產(chǎn)量的數(shù)量性狀位點(diǎn)，這對(duì)提高小麥產(chǎn)量、促進(jìn)糧食安全具有重要意義。

3 小麥在物理化學(xué)因素誘導(dǎo)下基因組DNA甲基化變化

誘發(fā)突變技術(shù)在農(nóng)作物材料創(chuàng)制與品種培育中具有重要意義，在解決世界糧食安全問(wèn)題上發(fā)揮了顯著作用。楊震等［24］采用60Co-γ射線處理小麥干種子，γ射線處理對(duì)幼苗的苗高和根長(zhǎng)都有抑制作用，利用MSAP技術(shù)檢測(cè)小麥幼根和幼葉基因組DNA甲基化相對(duì)水平均發(fā)生變化，幼苗葉片的DNA甲基化水平相對(duì)下降，而根中則有所升高，由此推測(cè)，γ射線輻照會(huì)改變小麥基因組DNA甲基化方式，從而影響基因組穩(wěn)定性。陳芳［25］用5-氮雜胞苷對(duì)小麥幼苗進(jìn)行處理，結(jié)果表明，濃度在5～50 μmol/L的5-氮雜胞苷可以提高小麥分蘗能力，且影響抽穗、花期、千粒重等;100 μmol/L的5-氮雜胞苷對(duì)小麥根和苗生長(zhǎng)有抑制效應(yīng);采用AFLP對(duì)其遺傳穩(wěn)定性研究，結(jié)果顯示不同濃度5-氮雜胞苷以及處理過(guò)程中材料基因組均未發(fā)生變異;采用MSAP技術(shù)對(duì)處理前后樣品的DNA甲基化變化進(jìn)行分析，5-氮雜胞苷處理后的材料均產(chǎn)生了不同程度的甲基化變化，以去甲基化變異為主，且DNA去甲基化的程度隨5-氮雜胞苷劑量增大而升高。

4 小麥在外源基因?qū)霑r(shí)基因組DNA甲基化變化

將外源物質(zhì)轉(zhuǎn)移到小麥中，是小麥改良的重要途徑之一。遠(yuǎn)緣雜交和多倍化是高等植物進(jìn)化的主要?jiǎng)恿?，大多?shù)種子植物在進(jìn)化過(guò)程中都經(jīng)歷了染色體加倍過(guò)程。鄒宏達(dá)［26］用熒光MSAP檢測(cè)體系，對(duì)?。篼?H異附加系、?。篼?H異代換系2H(2A)、2H(2B)及2H(2D)整套材料的基因組甲基化模式進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，大麥的2H染色體導(dǎo)入小麥基因中，導(dǎo)致小麥基因組的甲基化變異，且大麥2H染色體自身也檢測(cè)到了甲基化水平變化。對(duì)大米草及水稻等物種間遠(yuǎn)緣雜交的研究表明，外源種質(zhì)的導(dǎo)入可以引起受體基因組DNA甲基化程度及甲基化模式發(fā)生改變，雜種后代也會(huì)發(fā)生有別于親本的變異［27－28］。聶利紅等［29］以母本四倍體小麥SCAUP(AABB)與父本二倍體粗山羊草SQ523(DD)雜交得到人工異源六倍體小麥SCA/SQ(AABBDD)，采用MSAP技術(shù)分析小麥從四倍體到六倍體進(jìn)化過(guò)程中甲基化水平及甲基化遺傳模式變化，結(jié)果顯示，F(xiàn)1代的甲基化水平均高于父本與母本，由此推測(cè)，小麥從四倍體到六倍體進(jìn)化過(guò)程中對(duì)一些功能基因的甲基化來(lái)抑制其表達(dá)，從而降低異源多倍化造成的影響。

5 小麥的甲基轉(zhuǎn)移酶研究

DNA的甲基化是通過(guò)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化和維持的。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶是調(diào)節(jié)DNA甲基化的功能蛋白，在多種模式生物中的研究已相當(dāng)廣泛。凌娜等［30］采用RACE技術(shù)克隆了小麥甲基轉(zhuǎn)移酶基因TaDnMT2，系統(tǒng)分析了該基因在小麥生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)特性，TaDnMT2基因在不同發(fā)育時(shí)期的葉、種子及根系中均有較高水平表達(dá)，且表達(dá)的動(dòng)態(tài)水平與發(fā)育進(jìn)程有關(guān)，所以TaDnMT2可能在小麥生長(zhǎng)與發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著調(diào)控作用。在甲基化參與春化過(guò)程已在多數(shù)物種得以驗(yàn)證，閆延濤［31］在通過(guò)RACE技術(shù)克隆得到小麥甲基轉(zhuǎn)移酶基因基礎(chǔ)上，以春化處理為變量，研究得出春化后小麥甲基轉(zhuǎn)移酶基因的表達(dá)水平下降。這些研究方法為進(jìn)一步研究甲基轉(zhuǎn)移酶在小麥中表達(dá)提供了參考。Thomas等［32］利用來(lái)自國(guó)際小麥基因組測(cè)序協(xié)會(huì)最新得到的小麥基因組，根據(jù)MET1基因序列特征在普通小麥中克隆得到TaMET1，并描述了TaMET1在小麥中的進(jìn)化史，解釋同源染色體組II的優(yōu)勢(shì)并解釋了DNA甲基化參與小麥基因組中的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

6 展望

隨著全基因組甲基化測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，可以在全基因組范圍內(nèi)確定DNA甲基化的位置及其與基因調(diào)控間的關(guān)系。同時(shí)伴隨著小麥基因組測(cè)序結(jié)果的逐步發(fā)展，未來(lái)DNA甲基化在小麥遺傳育種中定會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

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