全 文 :广西植物Guihaia32(6):788—792 2012年11月
DoI:10.3969/j.issn.1000—3142.2012.06.014
重金属呼+胁迫下小麦幼苗DNA5一MeC含量的改变
黑淑梅
(延安大学生命科学学院,陕西延安716000)
摘要:运用高效液相色谱法(HPLC)研究了3d龄和10d龄小麦幼苗在5~100mg/LCr6+胁迫下根系和
地上部分DNA5一甲基胞嘧啶(5一MeC)含量的变化。方法:色谱柱为HypersilBDS_C18键合柱(5弘m,150×
4.6mmI.D.);流动相由5%甲醇,4.75mm01/L己烷磺酸钠,o.2%三乙醇胺组成,三蒸水配制,pH值为5.5;
流速为o.7mL/min;检测波长为273nm。结果发现:除100mg/LCr6+降低了3d龄小麦幼苗根系DNA5一
MeC的百分含量外,所试不同浓度Cr6+均引起两苗龄幼苗叶片和根系DNA甲基化水平的上升;3d龄幼苗
对Cr6+胁迫比10d龄幼苗敏感,根系比地上部分敏感。结论:Cr6+胁迫引起的DNA甲基化水平改变可能影
响到小麦幼苗的正常生长发育。
关键词:小麦;Cr6+;5一MeC;HPLC
中图分类号:Q945.78文献标识码:A 文章编号:1000—3142(2012)06一0788一05
EfkctsofCr6+stresson5一MeCcontent
ofDNAinwheatseedlings
HEIShu_Mei
(C0z如∥o,L咖Sci跏钾s,%n’口挖魄iws叻,Yan’an716000,China)
Abstract:TheeffectsofCr6+onthe5一methylc tosine(5一MeC)cOntentsin1eavesandr∞tsDNAin3一day.oldand10-
day_oldwheatseedlingswith5—100H培/LCr6+treatmemwered teH血nedbythereversed-phasehgperforHlanceliq—
uidchromatography(HPLC).TheHypersilBI)§C18c01unm(5“m,150×4.6mmI.D.)andmobilephaseof5%meth—
anol,一4.75nmlOl/LSodiumhe)(anesulfomte,一O.2%triethanOlarnine_water,pH5.5attheflowrateofO.7mL/ Ilinwas
used.DetectionwasperfOmed、jl,ithUVdetectorat273nrTLTheresultsshowedthatthe5一MeCcontentsinleavesand
rootsDNAin3一day_oldan10-day_oldwheatseedlings、ⅣithCr6+∞ncentrationincreasedfrom5t0100mg/LwereaU
h曲erthanthtincontr01,butthe5一MeCcontentscausedby100mg/LCr6+was10werthanthatincontr01inthemots
DNAin3一day。oldseedlings.Andtheresultssuggestedthat3一day_01dseedlingsweremores nsitiveoCr6+stressthan
10-day_oldse础ings,andtherootsweremores nsitivehantheleaves.Therefore,thechangeofDNAmethylation1evel
causedbyheavymetalCr6+couldhaveaneffectonnor眦lgrowthandevelopmentinwheatseedlings.
Keywo舯ds:wheat;Cr6+;5一MeC;HPLC
随着冶金、电镀工业的发展,重金属元素铬(Cr)
广泛存在于自然界中,成为环境中一种具有潜在危害
性的污染物,被称为工业“五毒”之一。业已证明,铬
不是植物生长的必需元素,也不参与细胞的结构组
成,但被吸收进入植物体后过量积累则可影响植物的
正常生长发育,比如在种子萌发、抗氧化酶活性、内源
激素水平、叶绿素含量、以及细胞有丝分裂等方面都
会产生影响,甚至引起植物DNA断裂、DNA含量减
少,引发DNA-蛋白质交联及DNA链间交联等DNA
损伤效应(史吉平等,1994;黑淑梅等,2005;鲁先文
等,2007;张黛静等,2009;王耀勇等,2010)。
DNA甲基化,就是对基因组DNA进行修饰,
收稿日期:2012—05—15修回日期:2012一07—10
基金项目:延安市科学技术研究发展计划项目(2010kml8);延安大学科研计划项目(YD201016)[supportedbySci nceandTechn0109iesRes archand
DevelopmentP gr咖ofYan’ancity(2010kn_18);FundamentalResearchFundofYan’anu血vers吲YD2010一16)]
作者简介:黑淑梅(1976一),女,陕西延长人,硕士,讲师,从事植物抗性生理生化研究,(Email)heishumei@163.com。
万方数据
6期 黑淑梅:重金属Cr6+胁迫下小麦幼苗DNA5一MeC含量的改变 789
在基因表达调控、发育调节、基因组印迹等方面发挥
重要作用(Bird,1986)。高等植物DNA甲基化是指
DNA中的胞嘧啶(C)被甲基修饰,形成5一甲基胞嘧
啶(5一MeC),DNA总甲基化水平可以用5一MeC占
DNA中总胞嘧啶碱基的百分数表示。5一MeC含量
的改变都会造成基因表达的异常,从而对植物生长
发育起着非常重要的作用(Finnegan等,2000;周翠
兰等,2005)。热胁迫、干旱对DNA的甲基化水平
会造成影响,且许多受甲基化变化诱导的基因同胁
迫反应有关,说明DNA甲基化参与了环境胁迫下
的基因表达调控过程(Finnegan等,1993;Wada等,
2004)。葛才林等(2002)也报道重金属Cu计、Cd2+
和H92+胁迫后,水稻和小麦叶片、穗和根系DNA
中胞嘧啶的甲基化水平提高,而关于重金属Cr对植
物DNA胞嘧啶甲基化水平的影响则未见报道。本
文基于此,运用高效液相色谱法研究了不同浓度的重
金属Cr6+处理后,不同苗龄小麦幼苗不同植株部位
DNA的5一甲基胞嘧啶含量的变化,旨在分子水平上
探讨土壤重金属Cr6+污染对小麦生长的影响机制。
1 材料与方法
1.1实验材料、仪器和试剂
材料:/J、偃22(Tri£ic“7n以Ps£iu“,挖cv.Xiaoyan
No.22)。种子用5%次氯酸钠灭菌,流水冲洗,暗中
(25±0.5)℃下浸种、催芽2d后选取萌发一致的种
子播种于垫有滤纸并加适量1/2Hoa91and营养液
的培养皿中,置于光照培养箱(25±o.5)℃,每日光
照13h,光强300“mol/(m2·s)中培养。长至3d
龄和10d龄时,分别以1/2Hoagland营养液配制
浓度为5、10、20、40、60、80、100mg/L的Cr6+(由
K:Cr:O,提供,以纯Cr计算)处理72h,每处理重复
3次,以1/2Hoagland营养液处理的幼苗为对照。
试剂:己烷磺酸钠和甲醇(色谱纯)、三乙醇胺和磷酸
(分析纯)均购自国内公司,C和5一MeC标准品(色
谱纯)购自Sigma公司。仪器:HITACHI型高效液
相色谱仪(日本东京Hitachi公司)。
1.2研究方法
1.2.1标准品制备精确称量C和5一MeC标准品
各o.1mg,用流动相定容至10mL,单标终浓度为
o.01mg/mL,o.45扯m纤维素微孔滤膜过滤。
1.2.2样品制备DNA提取:采用CTAB法,分别
提取o.25g3d龄和10d龄幼苗的新鲜叶片和根
系的DNA。将洗涤后的DNA沉淀溶于50弘LTE
缓冲液中,一20℃保存备用。样品制备:取上述
DNA提取液20肛L,加20肛L2 mol/LHCl,在80
℃水浴中水解2h,再加入10“L4mol/LNaOH中
和,离心取上清液备用。重复3次。
1.2.3色谱条件色谱柱:HypersilBDS—C1。键合
柱(5肚m,150×4.6mmI.D.)。流动相:5%甲醇,
4.75mmol/L己烷磺酸钠,o.2%三乙醇胺组成,用
三蒸水配制,并用磷酸将pH值调为5.5。o.45扯m
的纤维素微孔滤膜过滤。流速:o.7mL/min。检测
波长:273nm。进样量:20”L。
1.2.4标准曲线的建立用流动相配制单个标准品
溶液,用以测定标准品在色谱柱内的保留时间。C
的保留时间为3.94min,5一MeC的保留时间为6.22
min,混合标样的色谱图见图1:1,样品色谱图见图
1:2和图1:3。将单标终浓度为o.01mg/mL的混
合标准品溶液依次进样2、4、6、8、lo、12、14、16、18、
20、22“L进行测定得到相应的峰面积。以峰面积
为横坐标,各组分含量为纵坐标绘制标准曲线,结果
表明混合标样在进样量2~22肚L的范围内,线性关
系良好(图2)。
1.2.5重复性试验取同一样品,重复进样4次,每
次进样20扯L,测得c和5一MeC的含量分别为:C为
0.013、o.014、o.014、o.014(pg·pL。1),5一MeC为
O.019、0.023、O.021、0.021(j』g·肚L1),C和5一MeC
的相对标准偏差(RSD)分别为:3.77%和4.99%,他
一4。结果表明方法重复性良好。
1.2.6稳定性试验取同一样品,每2h进样1次,
连续进样5次,每次进样20肚L,测得C和5一MeC
的含量分别为:C为o.047、o.047、o.046、o.044、
o.045(弘g·”L。1),5一MeC为o.055、o.061、o.059、
o.059、o.054(肛g·肛L。1),C和5一MeC的相对标准
偏差RSD分别为:3.51%和4.23%,以一5。结果说
明,样品在10h内稳定性良好。
1.2.75一甲基胞嘧啶测定 由图2标准曲线分别得
C线性回归方程:y一2×10。7X+O.0054,R2一O.9917
和5一MeC线性回归方程y一3×10。X+o.014,R2一
o.9915。采用外标法,通过比较样品和标准品的峰
面积确定C和5一MeC的含量,根据公式5一MeC/(C
+5一MeC)×100%计算5一MeC的百分含量。
1.2.8数据处理实验结果均以平均值与标准差表
示,所有实验数据采用SPSS11.o系统来统计检验。
万方数据
790 广西植物 32卷
3 4 5 6
,吐。;献,
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 12 13 14
2 3 4 5 6
图1标准品和小麦幼苗样品的色谱分离图
Fig.1HPLCchromatogramsfst ndard
solutionandsamplesofwheatseedlings
1.标准品色谱图;2.小麦幼苗叶片样品色谱图;
3.小麦幼苗根系样品色谱图。
1.HPLCchromatogramofstandardsolution;2.HPLCchromat0_
gramofleafsample;3.HPLCchromatpgramofrootsa ple.
2 结果与分析
从表1可见,10d龄小麦幼苗叶片对照组DNA
的5一MeC为22.55%,3d龄小麦幼苗叶片对照组
DNA的5一MeC为23.48%,而10d龄小麦幼苗根系
对照组DNA的5一MeC为25.32%,3d龄小麦幼苗根
系对照组DNA的5一MeC为26.33%。从叶片和根系
对照组DNA的5一MeC含量的差异说明植物不同器
啪
j
一
‘J
C
∞
一
C
o
删
如
峰面积Peakarea
图2标准曲线
Fig.2Standardcurve
官中5一MeC含量水平不一样,从不同龄期同一植株
部位的DNA的5一MeC含量的差异也说明了小麦幼
苗在不同的生长阶段体内的甲基化水平有差异。
从表1可见,5~60mg/LCr6+使10d龄和3d
龄小麦幼苗叶片DNA5一MeC百分含量升高,80~100
mg/LCr6+使5一MeC百分含量下降,依然高于对照;
从处理效应差异显著性上来看,对于3d龄小麦幼苗
叶片,有效Cr6+浓度范围为20~100mg/L,与对照相
比均差异显著(P<0.05),对于10d龄小麦幼苗叶
片,有效Cr6+浓度范围为40~100mg/L,与对照相比
均差异极显著(P<0.01),而60mg/LCr6+处理效应
值对于3d龄和10d龄小麦幼苗来讲均为最高,分别
为相应对照的1.66倍和1.62倍。对于10d龄幼苗
根系,5~40mg/LCr6+范围内,DNA的5一MeC升高,
60~100mg/Lcr6+下降,但仍高于对照;且在10~
100mg/LCr6+内,除了100mg/LCr6+处理效应为显
著差异外,其余浓度处理效应均达到了极显著差异水
平(P<0.01),且40mg/LCr6+使DNA5一MeC百分
含量达到最高。对于3d龄幼苗根系而言,DNA的
5一MeC含量在5~20mg/LCr6+范围内上升,在40~
100mg/LCr6+时下降,在100mg/LCr6+时降到
24.53%,低于对照;但在10~60mg/LCr6+时,除了
40mg/LCr6+(在P
上述结果说明,除了100mg/LCr6+降低了3d
龄小麦幼苗根系DNA5一MeC的百分含量,所试不同
浓度Cr6十均引起两苗龄幼苗叶片和根系DNA甲基
化水平的上升,而且对于不同苗龄时期、不同部位的
小麦幼苗DNA5一MeC百分含量变化来讲,不同浓度
万方数据
6期 黑淑梅:重金属Cr6+胁迫下小麦幼苗DNA5一MeC含量的改变 791
表l Cr6+对小麦幼苗DNA中5一MeC百分含量的影响
Table1 EffectsofCr6+onthe5一MeCpercentageofDNAinwheatseedlings
Cr6十浓度
(mg/L)
Contents
5一MeC百分含量contentsof5一MeC(%)
3d龄幼苗3dayoldseedlings 10d龄幼苗10—day—oldsee lings
ofCr6+ 根系Roots 叶片Leaves 根系Roots 叶片Leaves
注:’为显著(P
从表1看到,对于3d龄幼苗根系和叶片,与对
照处理有显著差异的初始Cr6+浓度分别为10mg/
L(极显著,P
(极显著,P
DNA5一MeC百分含量最高值的Cr6+浓度来看,10
d和3d龄幼苗根系DNA的5一MeC最高值分别出
现在40mg/LCr6+和20mg/LCr6十(均为极显著,
P
o.01),亦说明根系比叶片对Cr6+胁迫敏感。
从根系DNA的5一MeC百分含量水平来看,3d
龄幼苗在20mg/LCr6+达最高值,为39.39%(极显
著,P
Cr6+胁迫比10d龄幼苗敏感。从叶片DNA的5一
MeC百分含量水平比较,3d和10d龄幼苗与对照处
理有显著差异的初始Cr6+浓度分别为20mg/L(显
著,P
3 结论与讨论
本文采用HPLC法测得10d龄小麦幼苗叶片
对照组DNA的5一MeC百分含量为22.55%,这与
Messeguar等(1991)测得的小麦成熟叶片DNA中
5一MeC为22.4%的结果基本一致。本研究结果显
示,Cr6+能明显改变小麦幼苗DNA中C的甲基化
水平。5~100mg/LCr6+引起3d、10d龄小麦幼
苗叶片和10d龄小麦幼苗根系DNA中C甲基化
水平的升高,对于3d龄幼苗根系而言,5~80mg/L
Cr6+同样提高了DNA中C甲基化水平。DNA甲
基化主要是参与植物基因表达的调控,进而调节植
物的生长发育。基因中启动子和编码区的过度甲基
化能抑制基因的转录表达(Finnegan等,1998;Ra—
zin&Cedar,1991;Pradhen等,1999)。将小牛胸腺
DNA和叔丁基氢过氧化物及Fe什一起温育,发现
有大量甲基自由基和DNA高度甲基化发生,并认
为甲基自由基直接攻击DNA中的鸟嘌呤产生C8一
甲基鸟嘌呤,而N7一甲基鸟嘌呤和3一甲基腺嘌呤的
产生很可能是由于甲基自由基借助于过渡重金属的
作用攻击DNA而引起(Hix等,1999)。据此,本文
推测Cr6+引起两苗龄小麦幼苗叶片和根系DNA甲
基化水平提高,可能是由于Cr6十引起了小麦体内的
过氧化胁迫,而导致大量甲基自由基的产生,甲基自
由基攻击DNA中的胞嘧啶,导致5一MeC水平提高。
Lee等(1998)和Pfohl—Leszkowicz等(1987)已
经证实重金属离子能抑制动物细胞内5一甲基胞嘧
啶甲基转移酶的活性,如Pb抖、Zn2_、Cu”、Fe2+、
M92+等,都可在处理后的短时间内抑制细胞内5一甲
基胞嘧啶甲基转移酶的活性。据此,对于100mg·
L-1Cr6+导致3d龄幼苗根系DNA中胞嘧啶甲基化
水平降到小于对照这一现象,推测可能与根系中5一
甲基胞嘧啶甲基转移酶(催化将腺苷甲硫氨酸上的
甲基转移到DNA的胞嘧啶上)活性受到抑制有关,
具体原因还有待于进一步研究。
总之,DNA甲基化参与植物基因表达的调控,
万方数据
792 广 西植物 32卷
在植物的生长发育中起着非常重要的作用,Cr6+胁
迫引起的甲基化水平过高或过低都会影响小麦幼苗
的正常生长发育。
参考文献:
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万方数据
重金属Cr6+胁迫下小麦幼苗DNA 5-MeC含量的改变
作者: 黑淑梅, HEI Shu-Mei
作者单位: 延安大学生命科学学院,陕西延安,716000
刊名: 广西植物
英文刊名: Guihaia
年,卷(期): 2012,32(6)
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引用本文格式:黑淑梅.HEI Shu-Mei 重金属Cr6+胁迫下小麦幼苗DNA 5-MeC含量的改变[期刊论文]-广西植物 2012(6)