全 文 ：＊植物 DNA 甲基化及在禾本科作物中的研究进展
张今今 ,褚会娟 ,张　逸 ,武　艳
(陕西师范大学 生命科学学院 ,陕西 西安　710062)
摘　要:DNA 甲基化是表观遗传学中最重要的机制之一 , 是多种调控因子在 DNA 、RNA、染色质和蛋白质等
水平协同作用的结果 ,在高等植物生长发育和应对环境变化的过程中起重要作用。本文综述了植物 DNA 甲
基化机制的建立维持机制 ,以及在禾本科作物研究中取得的最新进展。
关键词:植物;DNA 甲基化;禾本科作物
　　DNA 甲基化是真核生物基因组中最常见的
一种表观遗传修饰形式 ,是在 DNA 序列不变的
情况下 ,相关蛋白质或 RNA 协同作用 ,对碱基进
行修饰以调节基因的表达或沉默的非孟德尔遗传
机制 。这种机制参与机体的许多生物学过程 ,在
植物生长发育和抵御外界环境变化过程中起非常
重要的调节作用 。近年来 ,对禾本科(Gramineae)
主要农作物水稻 、小麦 、玉米和高粱等的 DNA 甲
基化研究也成为植物表观遗传学的重要领域 。本
文对植物 DNA 甲基化建立和维持机制以及禾本
科主要作物在 DNA 甲基化方面的研究进展加以
综述 。
1　植物建立和维持DNA甲基化的机制
大量研究证实 ,植物基因组 DNA 甲基化模
式的变化与基因表达密切相关 。植物通过 DNA
甲基化机制调节基因的特异性表达或沉默 ,即在
不表达的组织中基因维持或从头甲基化。植物
DNA 甲基化的方式分为从头甲基化和维持甲基
化两种 ,主要发生在 CG 富含区 ,也可能发生在
CNG 和 CHH 等序列中。DNA 甲基转移酶是对
特定区域 DNA 进行甲基化修饰的酶 ,植物中至
少有三类 DNA 甲基转移酶:甲基转移酶 MET1
家族 、域重排甲基转移酶 DRM 和染色质域甲基
转移酶CMT ,分别在植物建立和维持胞嘧啶甲基
化的模式中起重要作用[ 1] 。
建立从头甲基化是在完全未甲基化的 DNA
链上引入甲基基团使其甲基化 ,重新构建 DNA
分子上胞嘧啶的甲基状态。研究表明 DNA 分子
中的重复序列和反向重复序列有可能在某些情况
下引发从头甲基化 ,如反向重复序列在单向转录
后再折叠就成为 Dicer 切割的底物 ,切割产生的
双链 RNA 成为诱导信号 ,引起DRM 催化的从头
甲基化[ 2] 。DRM 是一种从头甲基化转移酶家
族 ,包括 DRM1 、DRM2和 Zme t3三个成员 ,它们
负责响应特定的 siRNA 或 dsRNA 信号 ,对 CNG
和 CHH 等序列从头甲基化 ,并维持失活转座子
和转基因沉默位点的胞嘧啶甲基化 。在拟南芥
drm1和 drm2 的双突变体中 , 所有已知模式的
CG 位点从头甲基化均有缺失 。此外 ,由小 RNA
干扰引起的 RNA 沉默 ,也可以促使同源 DNA 从
头甲基化 ,使植物花期调控基因 FWA 沉默 ,开花
时期异常[ 3] 。目前 ,在烟草 、豌豆和拟南芥中已经
建立了与 DNA 从头甲基化有关的双链 RNA 介
导转基因沉默系统。
维持甲基化要依赖于 DNA 复制过程 ,将原
初存在且已甲基化的亲代 DNA 的甲基化模式传
递给子代 DNA 。拟南芥中 MET1 家族是植物
DNA 甲基转移酶中最重要的一类 ,主要功能是维
持 m5C 的甲基化 ,还能应答 RNA 信号 ,发起从
头甲基化(de novo me thylat ion)。me t1突变体植
株在胚胎发育和表型变异上均有植株矮小 、开花
延迟及花的同源异形变异等。烟草中的甲基转移
酶 NtMET1 、玉米的甲基转移酶 ZmMET1 也起
到维持 CG 位点甲基化的作用 。另外 , 拟南芥
cm t3突变体使原初 CNG 位点甲基化减少 ,使着
丝粒区域重复序列 Msp Ⅰ切割位点增加[ 4] ,说明
植物基因组在 CNG 位点高密度的甲基化修饰 ,
由 CMT 家族特异性维持 。CM T 同时具有一个
染色质结构域和 C-甲基化催化活性 ,为植物中
所特有 ,主要负责维持植物基因组中 CNG 序列
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＊收稿日期:2010-04-30
胞嘧啶的甲基化 ,还具有维持其他非 CNG 序列
甲基化的特性[ 5] 。
2　禾本科作物 DNA 甲基化研究进展
禾本科(Gramineae)植物广泛分布于全世界
范围内不同的生态条件下 ,其中水稻 、小麦 、玉米
和高粱等重要农作物更是人类生存不可或缺的食
物 ,提供了人类食物中 65 %以上的能量和 50 %
以上的蛋白质。目前在植物中 ,除拟南芥以外 ,禾
本科主要作物的 DNA 甲基化模式研究最为深
入。
2.1　水稻 DNA甲基化研究
DNA 甲基化研究表明 ,水稻和菰的渐渗杂交
系胞嘧啶甲基化程度明显高于亲本 ,这些位点包
括蛋白质编码基因 、转座子和反转座子以及一些
功能未知的序列 ,暗示渐渗杂交引起的 DNA 甲
基化变异可进一步引发水稻基因组进化[ 6] 。亲本
籼稻和野生稻及其 F1和 BC1群体的甲基化水平
比较发现 ,BC1甲基化的变化与亲代一致 ,并有倾
向野生稻的趋势 , 而 F1 甲基化变化水平高于
BC1
[ 7] 。说明杂交可提高子代 DNA 甲基化水平 ,
而回交则使杂种的甲基化模式趋向回交亲本 。可
见 ,杂交育种产生的 DNA 甲基化修饰改变 ,导致
F1杂种中同一基因组中的同源基因和不同基因
组中的部分同源基因之间进行广泛的互作 ,产生
广泛的表型变异 。
水稻品种Wase Aikoku 3成株中大部分多态
性位点甲基化程度高于幼苗 ,差异片段测序表明
6个 MSAP 片段与已知功能基因具有高度同源
性 ,说明这些片段的甲基化多态性可能与成株抗
性有关[ 8] 。低温处理后 ,水稻叶片中 CG 位点有
的从头甲基化 ,有的去甲基化。进一步分离和定
位的甲基化差异片段 CIDM 7与水稻已知 cDNA
同源 ,该片段在冷胁迫下去甲基化后表达增强[ 9] 。
此外 ,太空诱变 、重金属 、高静水压胁迫等异常环
境 ,都会引起广泛的 DNA 甲基化水平的变化和
基因表达的改变 。表明 DNA 甲基化或去甲基化
参与水稻应对环境胁迫下的基因表达调控过程 ,
从表观遗传水平对水稻的遗传信息进行调节 ,使
其在 DNA 水平或转录和转录后水平缓冲环境的
变化 ,抵御逆境造成的压力。
经甲基化抑制剂 5-氮胞苷处理的水稻植株
出现植株矮化 、小叶片 、丛状株等可遗传的异常表
型 ,推测启动子区去甲基化促进了抗病基因
X21G 的表达[ 10] 。转基因沉默的水稻植株使用
5-氮胞苷后 ,转录沉默的 cry1Ab 基因恢复一定
的表达活性 ,但同时出现不同程度的植株矮小 、结
实率低 、分蘖数降低和生育期推迟等异常性
状[ 11] ,说明 5-氮胞苷降低转基因的甲基化水平
使其恢复表达的同时 ,也造成了其他与表型有关
的基因甲基化异常。
此外 DNA 甲基化模式还对水稻不同部位及
发育不同时期调控基因的表达 、转座子去甲基化
激活引起相应基因表达 、不同水稻品种之间 DNA
甲基化多态性差异产生影响 ,甚至在无性系组织
培养获得的 DH 群体材料中也有丰富的变异。
2.2　小麦 DNA甲基化研究
用 5-氮胞苷对冬小麦品种进行处理 ,结果
发现经过春化作用和 5-氮胞苷处理 ,冬小麦的
甲基化水平均下降 ,从而引起早开花[ 12] 。另有实
验表明 ,对春化不敏感的植物则对 5-氮胞苷的
处理无反应。这些都说明甲基化程度的降低与提
早开花密切相关 ,春化作用促进开花可能是由于
低温诱导开花相关基因或基因启动子的去甲基化
引起的。
小麦在应对环境胁迫的压力时 ,也产生 DNA
甲基化的改变 。检测盐胁迫处理后的小麦幼苗 ,
发现耐盐品种叶片和根部 DNA 都发生了超甲基
化 ,且耐盐品种叶和根的 5-甲基胞嘧啶的含量
要比盐敏感品种高 ,暗示 DNA 超甲基化可能是
植物耐盐机制的一部分[ 13] 。重金属胁迫下 ,小麦
地上部叶和穗中 DNA 甲基化水平提高 ,推测重
金属可能引起作物体内的过氧化胁迫 ,产生大量
甲基自由基直接攻击 DNA 中的胞嘧啶 ,造成 5-
甲基胞嘧啶水平的提高[ 14] 。说明 DNA 甲基化是
小麦应对环境胁迫的普遍表观遗传反应 ,是在不
同情况下生物体自行调解的一个应对异常压力的
防御途径 。
多倍化是植物进化过程中的主要动力。
MSAP 分析发现小麦易位系发生全甲基化修饰
的比例比小麦亲本明显上升 ,而半甲基化比例则
明显下降[ 15] 。在小麦异源多倍体杂种 F1中观察
到 DNA 甲基化模式与亲本的差异可达到 13%,
异源多倍体化可引起 DNA 甲基转移酶失活 ,同
时 DNA 去甲基化酶表达活跃 ,由此导致的沉默
基因涉及蛋白质编码基因 、表达序列标签 、反转座
子 、自主复制序列间的开放阅读框 、与细胞器基因
序列相似的基因等。
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2.3　玉米 DNA甲基化研究
玉米近亲品系的雄花穗 、苞叶和穗叶各器官
的 DNA 甲基化水平存在差异 ,苞叶的甲基化水
平最高 ,雄花穗最低 ,且成熟叶片的甲基化水平高
于种子[ 16] 。玉米胚乳特异性表达基因 Opaque2
的启动子序列在非特异性组织叶片中表现为
DNA 高度甲基化 ,基因表达沉默。维持 CG 甲基
化的甲基转移酶 ZmMET1在转基因玉米的中胚
轴和根冠细胞中高表达 ,证明 ZmMET1 的表达
与 DNA 复制后的胞嘧啶甲基化有关。说明表观
遗传的时空变化是植物正常生长发育所必需 ,玉
米植株中甲基化模式同样也会随着植株的发育和
分化发生改变。
玉米的转座元件簇生于异染色质区域 ,在染
色质域甲基转移酶 CMT 的催化作用下 ,该区域
的 DNA 常被超甲基化 ,而正常情况下被甲基化
的 、转录沉默的 、且不可移动的转座子则会去甲基
化而变得可移动 。对玉米中主要的 Spm/En 转
座子系统研究也表明 ,该系统的转录和转座活性
与启动子上游 0.2kb区域内 CG 甲基化程度密切
相关 ,有活性的转座子在该位点是非甲基化或低
甲基化状态 , 而沉默的转座子则表现为超甲基
化[ 17] 。可见植物通过改变 DNA 甲基化模式控制
转座或反转座的发生 ,避免任意转座引起的插入
突变和异常转录等现象。
低温胁迫后 , 玉米幼苗的甲基转移酶 Zm-
MET1在中胚轴和根冠细胞中表达量减少 ,DNA
甲基化水平在部分组织中也表现选择性降低 。胁
迫条件下根部基因组 DNA 核小体核心区域发生
强烈的去甲基化 ,而连接区甲基化无变化 。推测
核小体 DNA 甲基化的改变可调控部分基因表达
以适应环境的改变。耐高密度的玉米杂种基因的
表达量也高于对密度敏感的玉米杂种[ 18] 。说明
环境刺激下玉米植株能主动调节 DNA 甲基化状
态的改变 ,并而对逆境做出反应提高适应性。
玉米部分杂交后代的 DNA 甲基化模式与亲
本比较发生不同程度的改变 ,这些改变与某些编
码基因和 EST 序列有关 ,暗示杂种优势的表现与
DNA 甲基化调节的亲本基因表达沉默有密切关
系[ 19] 。在玉米多倍体研究中 ,发现某些基因的表
达水平与染色体倍性之间呈现出明显的剂量补偿
特征[ 20] 。可见玉米杂交和多倍体化引起的基因
沉默事件与胞嘧啶甲基化特定状态的改变密切相
关。
2.4　其他农作物 DNA 甲基化研究
其他农作物 DNA 甲基化研究表明 ,高粱杂
种 F1代的甲基化水平低于双亲[ 21] ,但胚乳甲基
化水平差异性在亲本和 F1 代间表现一致性 ,即
胚乳的甲基化程度都低于叶片[ 22] ,暗示杂种基因
组 DNA 甲基化模式的重新调整才是 F1杂合性
或杂种优势所必需。大麦转基因株系表现启动子
泛素复合体区域基因表达沉默 ,这种转录水平的
沉默与转基因的启动子甲基化有关[ 23] 。在黑麦
基因组中 ,转座子序列 、散在重复序列以及单拷贝
蛋白质编码序列均存在 DNA 甲基化修饰现
象[ 24] ,这些重复序列以及功能基因中的 DNA 甲
基化修饰可能与维持黑麦基因组水平的结构稳定
及相关基因的正常表达密切相关。
3　结语
禾本科主要农作物的 DNA 甲基化研究已经
成为植物表观遗传学的重要领域 ,但农作物 DAN
甲基化的研究仍有一些尚未解决的问题 ,如 ,禾本
科作物特异性的建立维持甲基化和去除甲基化的
机制究竟是怎样的? DNA 甲基转移酶的类别 、功
能 ,主动或被动去甲基化的调控方式与拟南芥比
较是否相同 ?此外 ,由 RNA 引起的基因沉默现
象中 , siRN A或 miRNA 等信号如何特异指导位
点专一性 DNA 甲基化或去甲基化事件 ? 这些问
题的探索和解决对于全面揭示植物 DNA 甲基化
遗传模式及其对基因结构和功能的影响都具有重
要作用。
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