劉治民 楊芷怡 冀鳳丹 梅志超 于佳慧 解莉楠

（東北林業(yè)大學生命科學學院，哈爾濱 150040）

植物生活在不斷變化的環(huán)境中，這些環(huán)境通常不利于植物的生長和發(fā)育。一般來說，環(huán)境脅迫可以大致分為生物脅迫和非生物脅迫，其中生物脅迫包括各種病原體感染和食草動物侵襲等；非生物脅迫主要包括干旱脅迫、高鹽脅迫、極端溫度脅迫和重金屬脅迫等［1］。這些脅迫在一定程度上打破植物細胞內(nèi)已建立的穩(wěn)態(tài)，從而使細胞代謝紊亂，生理功能失調(diào)，阻礙植物的生長發(fā)育，最終降低農(nóng)作物的產(chǎn)量。氣候變化導致極端天氣發(fā)生的頻率增加，并且加劇了這些非生物脅迫對植物的不利影響［2］。作為固著生長的植物，不能主動躲避自然界中不良的環(huán)境刺激，但在漫長的進化和適應過程中，植物發(fā)展出適應某些環(huán)境因素的能力，演化出能自我保護和適應不良環(huán)境的機制［3-4］。通常，植物可以采取3種策略來降低甚至避免這些不利影響，即耐受、抵抗和逃逸。生物適應性應答是由多基因控制的，在很大程度依賴基因表達的動態(tài)變化，需要逆境相關(guān)基因表達的激活或抑制來協(xié)調(diào)，植物可以通過在整個基因組轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平上的快速而協(xié)調(diào)地變化來完成這些防御行為［5-6］。

生存在各種不利條件下，植物可以通過多種基因調(diào)節(jié)機制來恢復和重建細胞穩(wěn)態(tài)。在過去幾十年里，科學家們開展了大量對環(huán)境脅迫相關(guān)基因的研究，包括環(huán)境脅迫下基因表達模式，轉(zhuǎn)錄后修飾模式，以及基因編碼的蛋白質(zhì)的功能及其作用模式。這些研究豐富了對植物在干旱、高鹽、冷和熱等非生物脅迫下如何提高適應性的理解，并且逐漸應用于提升植物抗性，以便于擴寬耕地，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量［7-11］。近年來，科學家們發(fā)現(xiàn)表觀遺傳修飾廣泛參與植物脅迫應答中。

表觀遺傳學是一門快速發(fā)展的學科，它指在基因的核苷酸序列沒有發(fā)生改變的情況下，研究生物體可以遺傳的表型變化。表觀遺傳機制在動植物的生命周期中起著十分重要的作用。表觀遺傳修飾，主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA（Non-coding RNA，ncRNA），會影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和可及性，從而動態(tài)調(diào)節(jié)基因的表達［12］。DNA甲基化是目前研究最為廣泛的表觀遺傳修飾類型，科學家對DNA甲基化機理和功能的研究也最為清楚。研究表明，DNA甲基化在植物非生物脅迫反應中起著至關(guān)重要的作用，使植物能夠在惡劣的環(huán)境中生存。例如，RNA介導的DNA甲基化（RNAdirected DNA methylation，RdDM）途徑介導的DNA甲基化可動態(tài)調(diào)節(jié)大量熱脅迫響應基因的表達［13］；受鹽誘導的AtMYB74轉(zhuǎn)錄因子的表達在正常條件下被RdDM沉默，但在鹽處理后被激活［13-14］。本文主要綜述了近年來DNA甲基化的基本概況，以及非生物脅迫下的DNA甲基化調(diào)控，旨在為利用表觀遺傳機制提高植物的抗脅迫能力提供指導。

1 DNA甲基化概述

在植物中，DNA甲基化是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的催化下，將S-腺苷-L-甲硫氨酸（S-adenosyl-L-methionine，SAM）的甲基轉(zhuǎn)移給DNA胞嘧啶，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）的過程。一種特定的DNA甲基化狀態(tài)是DNA甲基化建立、維持和主動清除的動態(tài)調(diào)節(jié)的結(jié)果，這些活動由不同的酶催化，并通過不同途徑靶向特定的基因組區(qū)域。在植物中，DNA甲基化發(fā)生在含有各種胞嘧啶的序列中，包括CG、CHG和CHH（其中H表示A、T或C），它們分別被甲基轉(zhuǎn)移酶1（Methyl-transferase 1，MET1）、染色質(zhì)甲基化酶3（Chromomethylase3，CMT3）和結(jié)構(gòu)域重排甲基化酶2（Domain Rearranged Methylase 2，DRM2）催化。CG和CHG對稱性位點上的甲基化是通過甲基化維持機制實現(xiàn)的，而非對稱CHH位點甲基化必須通過在DNA復制后進行從頭甲基化來維持，RdDM途徑對CHH甲基化的維持起著至關(guān)重要的作用。DNA去甲基化有有兩種形式，一種是在復制過程中由于DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性不足或甲基供體不足導致無法維持甲基，即被動去甲基化；另一種是通過DNA去甲基化酶介導的主動去甲基化［12，15-17］。

1.1 DNA甲基化的建立

在植物中，DNA從頭甲基化是通過RdDM途徑介導的，除了蛋白質(zhì)外，小干擾RNA（Small interfering RNA，siRNA）和 支 架RNA（Scaffold RNA）也參與了該途徑［15］。在經(jīng)典的RdDM途徑中（圖1），植物特有的DNA依賴性RNA聚合酶POL Ⅳ催化產(chǎn)生長為30-40個核苷酸（Nucleotide，nt）的轉(zhuǎn)錄本，隨后RNA依賴性RNA聚合酶RDR2（RNAdependent RNA polymerase 2，RDR2）以之為模板合成雙鏈RNA（Double-stranded RNA，dsRNA），并通過切割樣酶DCL3（Dicer-like protein 3，DCL3）將dsRNA裂解為24 nt siRNA。siRNA被裝載到AGO（Argonaute，AGO）蛋白上，主要是AGO4和AGO6，并與由DNA依賴的RNA聚合酶POL Ⅴ催化產(chǎn)生的互補支架RNA配對，AGO4招募DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DRM2到靶位點，催化DNA從頭甲基化［16，18-20］。RDM1（RNA-directed DNA methylation 1，RDM1）可以與DRM2和AGO4締合，并結(jié)合單鏈甲基化DNA，從而輔助該反應進行［21］。已存在的染色質(zhì)修飾可以介導POL IV和POL V被特異性招募到RdDM靶向位點。SHH1招募POL IV，并通過它的Tudor結(jié)構(gòu)域與H3K9me2的H3結(jié)合，同時與CLSY1相互作用，介導Pol IV定位到靶向位點［22-24］。SUVH2和SUVH9可以和DDR（DRD1/ DMS3/ RDM1）復合體相互作用，并通過其SRA結(jié)構(gòu)域識別甲基化的胞嘧啶，介導POL V定位到適當?shù)奈恢茫?5］。POL V轉(zhuǎn)錄的ncRNA通過RRP6L1被保留在染色質(zhì)附近［26］。IDP復合體可以穩(wěn)定支架RNA，并與SWI/SNF染色質(zhì)重塑復合體相互作用，通過SWI/SNF復合體改變核小體位置［27-28］。

圖1 擬南芥中經(jīng)典的RdDM途徑介導DNA甲基化［15］

除了經(jīng)典的RdDM途徑外，DNA依賴性RNA聚合酶II（POL II）和RDR6參與非經(jīng)典的RdDM途徑產(chǎn)生siRNA。POL II和RDR6產(chǎn)生的前體RNA可以被DCL2和DCL4切割產(chǎn)生21 nt或22 nt siRNA，21 nt或22 nt siRNA結(jié)合AGO6蛋白，從而激發(fā)24 nt siRNA依賴的甲基化途徑，也可以被DCL3切割生成24 nt siRNA，起始DNA甲基化［29-31］。已有研究發(fā)現(xiàn)，一些不依賴于DCL蛋白產(chǎn)生的siRNA也有可能參與 DNA 甲基化的起始過程［32］。

1.2 維持DNA甲基化

植物中DNA甲基化的維持取決于特定的胞嘧啶序列，并受DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化。MET1可以識別復制后半甲基化的CG序列，并介導子鏈中未甲基化的胞嘧啶甲基化，以維持CG甲基化［33］。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，CHG甲基化的維持主要受CMT3催化，少量由CMT2催化［34-35］。Du等［36］發(fā)現(xiàn)玉米（Zea mays）中CMT3同源蛋白MET2A可以和H3K9me2結(jié)合，阻斷CMT3和H3K9me2相互作用，會破壞CMT3與核小體的結(jié)合，并導致CMT3失去活性，DNA甲基化水平顯著下降。SUVH4通過其SRA結(jié)構(gòu)與甲基化的CHG結(jié)合，并促使H3K9甲基化［37］。CHH甲基化由DRM2或CMT2維持，DRM2可以在RdDM靶向區(qū)域維持CHH甲基化［38］，而CMT2 則催化含有組蛋白H1的異染色質(zhì)的CHH甲基化［39］。

1.3 DNA去甲基化

DNA甲基化可以被動失去或主動清除，這兩者分別稱為被動DNA去甲基化和主動DNA去甲基化。被動DNA去甲基化取決于DNA復制。在DNA復制過程中（圖2-A），如果新合成的DNA鏈沒有被DNA甲基轉(zhuǎn)移酶正確靶向或者甲基供體不足，則會導致新的DNA鏈沒有發(fā)生甲基化，DNA甲基化水平就會隨著DNA復制被稀釋［40］。主動DNA去甲基化由DNA去甲基化酶催化。在植物中，DNA去甲基化酶有雙功能酶活性功能域，即DNA糖基化酶活性和無嘌呤/無嘧啶裂解酶活性，DNA去甲基化酶通過參與堿基切除修復途徑啟動DNA去甲基化［41-43］。在植物中，DNA糖基化酶可以直接識別并切除5-mC堿基。在擬南芥中，DNA去甲基化酶家族主要含有4種蛋白質(zhì)：沉默抑制因子（Repressor of silencing 1，ROS1）、5-mC糖基化酶Demeter（DME）、DML2（Demeter-like proteins 2）和DML3［41，43］。在去甲基化過程中（圖2-B），IDM復合體識別高度甲基化區(qū)域，介導H3K18Ac，為其招募的ROS1行使功能提供相對松散的染色質(zhì)環(huán)境，但目前尚不清楚ROS1被招募的具體機制［44］。DNA去甲基化酶被招募后首先發(fā)揮DNA糖基化酶活性，水解堿基和脫氧核糖之間的糖苷鍵，然后作為無嘌呤/無嘧啶裂解酶切割DNA骨架，產(chǎn)生無堿基位點。在切口處3'末端進行β-消除產(chǎn)生3'-磷酸-α，β-不飽和醛（3'-PUA）或進行β，δ-消除產(chǎn)生3'-磷酸。隨后APE1L將β-消除產(chǎn)生的3'-PUA轉(zhuǎn)化為3'-OH，ZDP將β，δ-消除產(chǎn)生的3'-磷酸轉(zhuǎn)化為3'-OH，然后DNA聚合酶和連接酶來連接切口［45-46］。目前尚不清楚哪種聚合酶參與這一過程，但在擬南芥中發(fā)現(xiàn)DNA連接酶LIG1與ROS1、ZDP和APE1L共定位，介導去甲基化后DNA鏈切口的連接［47］。

圖2 擬南芥DNA去甲基［15］

2 非生物脅迫下的DNA甲基化調(diào)控

2.1 鹽脅迫

土壤中鹽（主要是Na+）含量過高會使植物遭到滲透脅迫、離子脅迫以及氧化脅迫等次生脅迫，這將阻礙植物的生長發(fā)育，進而降低農(nóng)作物的產(chǎn)量。研究員對植物適應鹽脅迫的機理研究較為透徹。在植物中，細胞離子穩(wěn)態(tài)是由Ca2+-鈣調(diào)素B樣蛋白（CBL）-CBL相互作用蛋白激酶（CIPK）模塊調(diào)控。高Na+、低K+、過量的Mg2+和高/低PH會使Ca2+快速轉(zhuǎn)移，分別激活SOS3-SOS2-SOS1（Salt overly sensitive，SOS）、CBL1/9-CIPK23-AKT1（Arabidopsis K+Transporter，AKT1）、CBL2/3-CIPK3/9/23/26- Mg2+轉(zhuǎn)運蛋白和CBL2-CIPK11/14-H+ATPase信號通路［1］。HKT1（High-affinity K+channel 1，HKT1）是 參 與SOS途徑中重要的轉(zhuǎn)運體，介導植物中Na+內(nèi)流。植物中，HKT1基因的突變可以抑制sos3對NaCl的超敏表型［48］。從ATG起始密碼起HKT1基因啟動子的2.6 kb串聯(lián)重復序列區(qū)域被高度甲基化［49］。在RdDM途徑中，RDR2是24-nt siRNA的生物合成所必需的。Baek等［49］揭示RDR2的突變導致AtHKT1基因的高轉(zhuǎn)錄，并且耗盡AtHKT1的RdDM靶向區(qū)域和串聯(lián)重復序列，從而產(chǎn)生NaCl敏感表型，這說明AtHKT1是RdDM介導的DNA甲基化的靶基因。Kumar等［50］在小麥（Triticum aestivum）中也發(fā)現(xiàn)類似的調(diào)節(jié)行為。AtMYB74是R2R3-MYB基因家族的成員，其表達受鹽誘導，徐瑞等［14］發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下24-nt siRNA可以通過RdDM途徑調(diào)節(jié)AtMYB74的表達。Song等［51］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下大豆（Glycine max）約有49個轉(zhuǎn)錄因子出現(xiàn)表達差異，對這些基因的表達水平和DNA甲基化水平進行檢測，發(fā)現(xiàn)MYB、b-ZIP和AP2/DREB轉(zhuǎn)錄因子家族的表達圖譜與其序列的甲基化顯著相關(guān)。Huang等［52］在轉(zhuǎn)基因番茄（Solanum lycopersicum）中發(fā)現(xiàn)，SlAGO4A基因表達下調(diào)會改變一些活性氧（Reactive oxygen species，ROS）清除系統(tǒng)和植物防御相關(guān)基因的表達水平，以增強對鹽和干旱脅迫的耐受性，并且與野生型和SlAGO4A過表達植株相比，一些DNA甲基轉(zhuǎn)移酶和RNAi途徑基因表達水平顯著偏低。這說明SlAGO4A通過DNA甲基化和RNAi途徑的調(diào)節(jié)發(fā)揮負作用。

2.2 干旱脅迫

干旱脅迫會嚴重影響正常植物的生理生化過程，產(chǎn)生滲透脅迫、氧化損傷以及光合作用下降等不良危害。為了減輕干旱對自身的影響，在長期進化過程中，植物演化出能抵御和適應不良環(huán)境的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。已經(jīng)證明DNA甲基化是植物參與適應干旱脅迫的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中重要的一環(huán)。Liang等［53］發(fā)現(xiàn)在毛果楊（Populus trichocarpa）中干旱脅迫可以誘導DNA甲基化水平的改變，進而改變許多干旱脅迫基因的表達模式。Komivi等［54］將甲基化敏感擴增多態(tài)性和轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)合，分析芝麻（Sesamum indicum）中胞嘧啶甲基化模式、轉(zhuǎn)錄組的積累以及其在耐旱基因型中的相互作用。與對照組相比，干旱脅迫顯著增加DNA甲基化水平，而當脅迫條件去除時，甲基化水平傾向于恢復到對照組水平。差異積累的轉(zhuǎn)錄 本（Differentially accumulated transcripts，DATs）分析顯示77%的DATs水平在干旱脅迫時下降，在恢復階段，超過80%的DATs水平升高，轉(zhuǎn)錄水平變化的模式與DNA甲基化改變密切相關(guān)。這說明在干旱脅迫下高的從頭甲基化水平可能導致大量干旱應答基因轉(zhuǎn)錄本水平的降低，而在恢復階段高去甲基化水平允許恢復干旱應答基因轉(zhuǎn)錄本的積累。Sharma等［55］研究嚴重干旱對芥菜（Brassica juncea（L.）Czern.）變種RH30各種脅迫響應基因甲基化水平的變化發(fā)現(xiàn)，在所有基因中基因體甲基化均增加，而啟動子甲基化取決于基因的功能，負責延遲凋亡的基因啟動子被低甲基化，而負責正常活動的許多基因在啟動子區(qū)域被高甲基化。在響應干旱脅迫時，脅迫相關(guān)基因通常表現(xiàn)出不同的甲基化和去甲基化事件，通過甲基化和去甲基化使脅迫響應基因沉默或激活，以適應極端的環(huán)境。脅迫因子可能也會直接影響甲基化酶和去甲基化酶來介導調(diào)節(jié)甲基化水平。Moglia等［56］發(fā)現(xiàn)在干旱和鹽脅迫下，茄子（Solanum melongena L.）某些C5-MTases（Cytosine-5 DNA methyltransferase）和去甲基酶基因表達存在明顯的上調(diào)和下調(diào)，其他C5-MTase和脫甲基酶基因的表達譜無變化。

2.3 極端溫度脅迫

2.3.1 低溫脅迫 低溫脅迫被認為是制約丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展和作物產(chǎn)量的主要環(huán)境因素之一［57］。非冷凍低溫脅迫會引起冷害，如造成光合作用相關(guān)的損害，細胞凋亡失調(diào)，膜流動性喪失以及最終萎縮，從而破壞植物的生長生理。ICE-CBF-COR途徑在植物對抗低溫脅迫中起著重要作用。已有研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化調(diào)控與植物的耐寒性顯著相關(guān)。Guo［58］通過對篩選出的耐寒水稻（Oryza sativa L.cv.）P427低溫處理下生理特性、轉(zhuǎn)錄組和甲基化的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，冷脅迫下ICE-CBF-COR途徑相關(guān)的基因包括WRKY基因表達量增加；OST1同源基因Os03g0610900啟動子區(qū)域甲基化降低，而其表達水平升高。這表明低溫脅迫下，甲基化與基因表達水平存在差異。Kumar等［59］檢測到低溫和甲基化變化之間存在顯著的相關(guān)性，蘋果（Malus domestica）休眠期間的低溫處理很可能通過DNA甲基化來影響表觀遺傳調(diào)控。Song等［60］發(fā)現(xiàn)組蛋白去乙?；种苿═richostatin A）和DNA甲基化抑制劑（5-Aza-2'-Deoxy cytidine）處理可以提高擬南芥在低溫脅迫下的耐寒性并影響低溫誘導基因的表達。產(chǎn)祝龍等［61］發(fā)現(xiàn)在rdm4突變體中，擬南芥耐寒性降低，CBFs和CBF調(diào)節(jié)基因表達量下降；但過表達RDM4時CBFs和CBF調(diào)節(jié)基因表達量增加，并且低溫誘導產(chǎn)生的膜損傷減少，表明RDM4在調(diào)節(jié)低溫下的基因表達中具有重要作用，可能是通過CBF途徑介導的。Zhu等［62］檢測到茶樹（Camellia sinensis）在低溫和干旱脅迫下，除CsCMT1和CsCMT2外，大多數(shù)CsC5-MTases基因表達顯著下調(diào)，而4種CsdMTase（DNA demethylase）基因的轉(zhuǎn)錄豐度顯著增加。綜上所述，脅迫因子可以改變DNA甲基化相關(guān)基因的表達水平，進而改變脅迫響應基因甲基化水平，介導植物對逆境的適應。植物的低溫反應是一個復雜的過程，涉及多個基因和多個信號通路。甲基化調(diào)控只是植物低溫反應信號網(wǎng)絡的一個方面。

2.3.2 熱脅迫 與低溫脅迫一樣，熱脅迫使植物發(fā)生一系列的形態(tài)、生理和生化變化，嚴重威脅植物的生長發(fā)育。植物中熱脅迫響應相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)網(wǎng)絡已經(jīng)得到了全面的闡述［63］。HsfA1（Heat shock transcription factor A1s）是參與熱脅迫響應的核心轉(zhuǎn)錄因子，其活性受到如磷酸化/去磷酸化和蛋白-蛋白相互作用等翻譯后修飾的調(diào)節(jié)，并且HsfA1可以直接誘導下游熱脅迫相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達，介導熱脅迫應答［63］。已有研究表明表觀遺傳修飾調(diào)控了熱響應基因的表達，并起到了預防熱相關(guān)損傷的作用。Qian等［64］通過熱脅迫下玉米葉片的DNA構(gòu)建了6個MethylRAD文庫，在對照組和熱脅迫處理條件下分別獲得14 187 048和16 985 118個凈讀數(shù)，其中有25 470個基因甲基化，并獲得325個差異甲基化基因（Differentially methylated genes，DMGs）（200個CCGG位點，125個在CCWGG位點），并發(fā)現(xiàn)在CCGG位點的101個DMGs和在CCWGG位點的57個 DMGs甲基化水平上調(diào)，在CCGG位點的99個DMGs和 在CCWGG位 點 的68個DMGs甲基化水平下調(diào)。這說明熱脅迫會誘導脅迫抗性基因的甲基化水平發(fā)生變化。擬南芥中，DRM1、DRM2和CMT3抑制蛋白SDC（Suppressor of DRM1 DRM2 CMT3，SDC）是一種介導蛋白質(zhì)降解的F-BOX家族蛋白，可以在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)節(jié)一些長期熱脅迫響應基因的表達［65］。SDC基因是RdDM途徑的靶基因，在正常情況下被表觀沉默，但在熱脅迫下被激活。因此，該基因的活性有助于植物從脅迫中恢復［13］，表明熱脅迫的轉(zhuǎn)錄反應至少部分依賴于RdDM通路。Naydenov等［66］發(fā)現(xiàn)野生型DNA甲基化相關(guān)基因?qū)Ω邷赜刑禺愋苑磻环矫鍰RM2、NRPD1和NRPE1的表達穩(wěn)定上調(diào)，且上調(diào)幅度低于ROS1；另一方面，高溫處理6 h后，MET1和CMT3的轉(zhuǎn)錄水平升高，但與對照組相比，隨著處理時間延長，MET1和CMT3轉(zhuǎn)錄水平下降；而在nrpd1a-1和nrpd1b-1的雙突變體中，高溫處理產(chǎn)生與野生型不同的表達譜圖：DRM2和MET1表達被強烈抑制，且ROS1的表達幾乎完全消失。此外，F(xiàn)an等［67］在油菜（Brassica napus）中鑒定了22 個DNA甲基化酶和去甲基化酶基因，在熱脅迫下，這些基因的表達量發(fā)生顯著變化。這說明，熱脅迫可能通過直接或間接影響參與DNA甲基化的基因的表達，來調(diào)節(jié)熱脅迫相關(guān)基因的表達，以達到對高溫環(huán)境的適應。

2.4 其他脅迫

適宜的營養(yǎng)吸收方式對植物的生長發(fā)育至關(guān)重要，植物已經(jīng)進化出復雜的機制來適應土壤中養(yǎng)分的變化。迄今為止，關(guān)于植物對營養(yǎng)脅迫反應的表觀遺傳調(diào)控的研究主要集中在組蛋白甲基化、組蛋白變異和DNA甲基化等方面［68］。擬南芥在低磷脅迫下全基因組DNA甲基化發(fā)生廣泛重塑，一般情況下這些影響與基因的表達有關(guān)［69］。MSAP研究證實缺氮情況下，受脅迫植物的葉片組織中發(fā)生了基因座特異性甲基化改變［70］。Chen等［71］鑒定了長期缺鋅時擬南芥全基因組范圍內(nèi)DNA甲基化的變化，并證明CG和CHG中的差異DNA甲基化與一些鋅缺乏基因的上調(diào)有關(guān)，而CHH沒有差異DNA甲基化。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏非CG甲基化的ddc（drm1、drm2和cmt3）三突變體中，缺鋅時表現(xiàn)出更為嚴重的發(fā)育缺陷。這說明DNA甲基化動態(tài)性與鋅缺乏引起的反應有特殊的聯(lián)系。此外也有研究表明，一些關(guān)鍵的硫酸鹽反應基因在響應硫酸鹽脅迫時也依賴于DNA甲基化的調(diào)控［72］。脫落酸（Abscisic acid，ABA）是重要的植物逆境激素，多種環(huán)境脅迫會誘導ABA的生成。越來越多的研究表明ABA廣泛參與調(diào)控DNA甲基化與去甲基化依賴性基因的表達。例如，Kim等［73］發(fā)現(xiàn)一些受ABA誘導基因的表達也會受ROS1依賴的DNA去甲基化的調(diào)節(jié)。在黑藻（Hydrilla verticillate）中，過量的銅可以顯著誘導DRM、CMT和SUVH6等DNA甲基化相關(guān)蛋白的表達，這與暴露在過量的銅下黑藻DNA甲基化水平發(fā)生顯著變化一致，進一步研究發(fā)現(xiàn)，ROS的產(chǎn)生參與全基因組DNA甲基化水平的改變［74］。與敏感型和沒有脅迫處理的抗性小麥相比，在重金屬鉛、鎘和鋅脅迫下，抗性小麥金屬解毒轉(zhuǎn)運體基因TaHMA2和TaABCC2/3/4啟動子區(qū)域DNA甲基化水平偏低，轉(zhuǎn)運體基因表達上調(diào)［75］。這說明DNA甲基化參與小麥抵抗金屬毒性。

3 DNA甲基化介導的非生物脅迫記憶

在自然條件下，植物通常不可避免地經(jīng)歷重復的脅迫。如圖3所示，植物響應脅迫刺激而產(chǎn)生的應答可以是短期的，也可以是長期的［76］。短期的應答不可遺傳，只能給予植物當代抗性和適應性。越來越多的證據(jù)表明，脅迫條件下生長的植物DNA甲基化模式可以跨代遺傳，給予植物當代及其后代穩(wěn)定的抗性。例如，F(xiàn)eng等［77］發(fā)現(xiàn)在鹽和堿脅迫下，水稻不同基因型的自交后代中DNA甲基化水平持續(xù)存在。植物的這種脅迫誘導的跨代記憶有助于快速適應多變的環(huán)境，在生存和繁殖之間達到更好的平衡［78］。Cong等［79］發(fā)現(xiàn)DNA甲基化參與水稻對重金屬脅迫反應的跨代記憶，在響應重金屬脅迫時重金屬轉(zhuǎn)運P型ATP酶基因HMA表達上調(diào)，而且在去除重金屬后觀察到基因表達出現(xiàn)跨代記憶。進一步研究發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子Tos17的DNA甲基化狀態(tài)在重金屬脅迫下發(fā)生改變，并在三代內(nèi)表現(xiàn)為跨代遺傳。Verhoeven等［80］對蒲公英（Taraxacum officinale）無性系DNA甲基化的研究揭示與對照組相比，脅迫處理中甲基化位點改變的比例相對較高，且DNA甲基化的改變可以遺傳給后代。

圖3 DNA甲基化介導的逆境應答和脅迫記憶過程示意圖

4 展望

DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾，在調(diào)節(jié)基因表達、介導植物對逆境的響應以及控制植物的生長發(fā)育方面起著重要的作用。通過對模式植物擬南芥以及其他生物的研究，人們對DNA甲基化建立、維持和主動去除的動態(tài)性機制有了更深的了解，并逐漸挖掘出DNA甲基化的功能。但是對一些介導DNA甲基化動態(tài)性的關(guān)鍵酶的了解還不夠全面，甚至仍有一些關(guān)鍵酶是未知的。雖然已經(jīng)證明環(huán)境脅迫會導致DNA甲基化相關(guān)基因的表達發(fā)生變化，但是這些脅迫信號是如何作用于這些基因還有待去發(fā)現(xiàn)。此外，在有絲分裂和減數(shù)分裂中，脅迫相關(guān)基因的甲基化模式有多大程度可以遺傳給后代，以及在后代中，這些脅迫記憶如何調(diào)控基因表達控，控制植物發(fā)育和抗逆性，還需要研究。作為一個完整的系統(tǒng)的有機體，脅迫處理會導致植物發(fā)生一系列包括DNA甲基化但又不局限于DNA甲基化的反應，來適應周圍的環(huán)境刺激。經(jīng)典的遺傳機制和包括組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA等在內(nèi)的表觀遺傳修飾共同參與植物對外在脅迫的應答。隨著DNA測序技術(shù)、表達芯片以及高通量DNA甲基化分析技術(shù)的發(fā)展，研究人員得以深入研究逆境脅迫下植物基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀遺傳組的變化，使得系統(tǒng)研究植物響應脅迫因子的反應機理成為可能。同時，對DNA甲基化調(diào)控的脅迫應答的深入研究，為改良作物抗性和提高產(chǎn)量提供新的途徑。