鋁脅迫誘導(dǎo)玉米DNA甲基化變異及其與鋁毒性耐性基因型間差異的可能關(guān)系研究.pdf

1、上一個(gè)世紀(jì),植物育種專家利用雜種優(yōu)勢這一重要生物學(xué)機(jī)制培育了很多新品種,可以提高作物產(chǎn)量15-60％,但是雜種優(yōu)勢在分子水平的認(rèn)識還很缺乏。世界上40％以上的耕地因?yàn)殇X離子毒性和土壤酸性的綜合作用而限制了農(nóng)作物的生長。在發(fā)展中國家,農(nóng)作物比如玉米由于這種非生物脅迫--鋁(Al)離子毒性作用而減產(chǎn)約30-40％。鋁離子嚴(yán)重地阻礙了根部吸收水和營養(yǎng)的能力并削弱了作物的生長和其它機(jī)能。然而,玉米顯示了非常高水平的表型和遺傳多樣性。而且,其他研

2、究表明,在植物種內(nèi)和種間都有一種自然變異的耐鋁性機(jī)制。作物正常生長發(fā)育需要穩(wěn)定的DNA胞嘧啶甲基化模式和染色體結(jié)構(gòu),但表觀基因組對環(huán)境因素表現(xiàn)異常不穩(wěn)定,并可以影響胚的正常發(fā)育。
　　 我們選取了12個(gè)玉米自交系,分別由兩種鋁毒耐受性和兩種鋁毒敏感性相互雜交的得到,分析它們的遺傳學(xué)和表觀基因?qū)W的變化,用于耐鋁篩選以及DNA胞嘧啶甲基化和雜種優(yōu)勢的研究。我們利用擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(AFLP)和甲基敏感擴(kuò)增片段多態(tài)性(MSAP)的分

3、析方法進(jìn)一步研究了基于表觀遺傳觀點(diǎn)的雜種優(yōu)勢有關(guān)的鋁篩選的可能性。這個(gè)研究同時(shí)也包括了利用標(biāo)準(zhǔn)的CIMMYT鋁敏感玉米系和相互雜交系進(jìn)行鋁毒篩選的對比評估。最后,我們用鋁離子毒性和低 pH脅迫篩選研究了與植物生理學(xué)、雜種優(yōu)勢和 DNA胞嘧啶甲基化相關(guān)的玉米表型和產(chǎn)量的農(nóng)藝性狀。這種方法可用于研究玉米鋁毒性的雜種優(yōu)勢作用和解釋表觀遺傳關(guān)鍵機(jī)制--DNA胞嘧啶甲基化----在雜種優(yōu)勢分子水平的研究。我們配制了150μMAl和pH4.5的無機(jī)

4、1/2 MS營養(yǎng)液,分別在4、24、48小時(shí)的記錄雜交種的生長變化。
　　 通過對根進(jìn)行蘇木素染色,和耐受指數(shù)(RTi)的生理分析表明,耐鋁玉米表現(xiàn)出了很強(qiáng)的對鋁毒的適應(yīng)和迅速的調(diào)整響應(yīng)。MSAP分析了CCGG超甲基化和低甲基化水平,顯示了總甲基化水平的變化范圍為1.5-15％,其中,與鋁毒相關(guān)的 CG水平上有4.75％-5.30％的變化,CNG水平上有6.76％-7.31％的變化。這種 CG和 CNG表觀遺傳學(xué)的超甲基化和低甲

5、基化變化可以通過由凈種子根長度(NSRL)％分析和根生長反應(yīng)具體表現(xiàn)出來。對于胚階段的鋁毒耐受性的選擇性篩選導(dǎo)致了耐性自交系和敏感自交系的產(chǎn)量分別有15.07％和8.17％的增長,而低pH篩選導(dǎo)致了耐性自交系和敏感自交系的產(chǎn)量分別有3.03％和3.63％的增長。這個(gè)結(jié)果證實(shí)了以前的研究--不同品種間存在鋁毒敏感性的區(qū)別,同時(shí)也顯示了低pH在較低水平上對作物有獨(dú)立的影響作用。由于親本起源的雜種優(yōu)勢影響是雜交育種中值得考慮的一個(gè)重要因素,比

6、如,鋁毒導(dǎo)致的N5xN1和N1xN5的產(chǎn)量增長分別是23.90％和3.12％。但是低pH(pH4.0)的影響卻很小(對N5xN1和N1xN5分別是2.62％和1.75)。由聚丙烯酰胺凝膠(PAGE)分析演化來的MSAP分析表明,與細(xì)胞壁和細(xì)胞膜相關(guān)的基因CSLD3(CELLULOSE SYNTHASE-LIKE)、激酶KINASES、植物生長素auxins、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等都與玉米的鋁毒耐受性和敏感性相關(guān)。鋁耐受篩選在雜交育種中是有效的

7、,并且玉米鋁脅迫的基因組印記可能發(fā)生在胚階段。
　　 這些研究從表觀遺傳學(xué)角度對玉米耐鋁性的復(fù)雜機(jī)制提供了可能的解釋。尤其是本研究中提出的如胞嘧啶甲基化和在玉米基因組中基因間區(qū)的親源現(xiàn)象等的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制加上逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的插入和DNA轉(zhuǎn)座子的積累催化了快速的基因順序和基因內(nèi)容的重組。這有可能決定著玉米雜種優(yōu)勢的分子基礎(chǔ)的重要組成部分。我們也利用鋁脅迫耐受水平和“鋁脅迫回想記憶”比較了熱帶玉米和溫帶玉米對土壤中酸度和鋁離子水平提