DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥部分生理及農藝性狀的影響

李有芳，靖建國，張靜悟，李衛華

(石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832000)

土壤鹽漬化是影響作物產量和品質的重要因素之一[1]。鹽脅迫誘導植物細胞膜產生滲透脅迫，導致活性氧大量積累，影響植物生長過程中的正常代謝，最終抑制植物生長[2]。DNA甲基化是植物中普遍存在的一種表觀遺傳方式，利用DNA甲基轉移酶將S-腺苷-甲硫氨酸(S-daomet，SAM)的甲基基團轉移到胞嘧啶(C)或胸腺嘧啶(T)上[3]，在DNA序列不改變的情況下調控植物基因表達，調節植物生長發育。在生物脅迫和非生物脅迫下，植物通過甲基化狀態的改變來調節抗逆有關基因的表達，進而影響表型和適應性的改變[4]。

5-氮雜胞苷(5-azaC)是一種DNA甲基化抑制劑，能夠與DNA甲基轉移酶相結合，降低DNA甲基化水平[5-7]。5-azaC處理使未春化的擬南芥植株相比對照提前開花，而對春化作用不敏感的晚開花突變體植株無影響[8]。干旱脅迫下水稻通過降低葉和根甲基化水平，激活相關基因表達，進而提高水稻耐旱性[9]。在鹽脅迫條件下棉花通過誘導抗逆相關基因編碼區去甲基化，調控基因的表達，從而有利于植株耐鹽[10]。高溫條件下，5-azaC可以降低白菜幼苗MDA含量，提高POD活性和蛋白質含量[11]。上述研究結果說明，在脅迫條件下，DNA甲基化具有調節植物脅迫響應基因的表達和生長發育的作用[12]。目前的研究多集中于鹽脅迫對小麥生理特性及相關基因表達的影響，而有關DNA甲基化水平的降低對鹽脅迫下小麥耐鹽性影響的探討還鮮有報道。本試驗選用耐鹽性不同的春小麥品種新春6號和新春11號為材料，研究鹽脅迫條件下DNA甲基化抑制劑處理對小麥部分生理和農藝性狀的影響，以了解DNA甲基化的改變與小麥抵抗鹽脅迫能力的相關性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用耐鹽性不同的春小麥(TriticumaestivumL.)品種新春11號(高耐鹽)、新春6號(鹽敏感)為供試材料[13]，種子由新疆石河子大學麥類作物研究所提供。

1.2 小麥幼苗培養及處理

選取飽滿的小麥種子，在自來水下沖洗干凈，經75%酒精消毒2 min，用5%次氯酸鈉消毒15 min，再用無菌水沖洗干凈。將消毒后的小麥種子在蒸餾水中浸泡數小時，待其有白色小芽露頭時移入鋪有兩層濾紙的發芽盒中(發芽盒已消毒)，置于光照培養箱中培養。培養條件：溫度 25 ℃，濕度50%，光暗比16 h/8 h。試驗共設5個處理(CK：清水對照；T0：0 μmol·L-15-azaC +200 mmol·L-1NaCl；T1：50 μmol·L-15-azaC +200 mmol·L-1NaCl；T2：150 μmol·L-15-azaC +200 mmol·L-1NaCl；T3：300 μmol·L-15-azaC +200 mmol·L-1NaCl)，每個處理3次重復。

DNA甲基化抑制劑添加：處理期間，每次向發芽盒中滴加相應濃度的5-azaC溶液15 mL，對照組滴加相應的清水，每隔1 d處理1次，處理 7 d后結束。

鹽脅迫：選取DNA甲基化抑制劑處理后長勢一致的幼苗移栽至花盆(30 cm×20 cm)中，營養土與蛭石3∶1混合，每盆15株，每個處理3次重復。待幼苗長至三葉一心時，用200 mmol·L-1NaCl進行鹽脅迫，用清水做對照(CK)，處理7 d后進行各項生理指標的測定。

1.3 小麥農藝性狀測定

成熟時，不同處理隨機選取15株小麥，測定株高及主莖穗長、穗粒數和穗粒重。

1.4 小麥氣體交換參數測定

鹽脅迫處理7 d后，選取小麥倒二葉即第5片葉，采用Li-6400型便攜式光合儀測定各處理小麥葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr) 和胞間CO2濃度(Ci)。便攜式光合測定系統葉室光照強度設定為1 000 μmol·m-2·s-1，CO2參比濃度為400 μmol·mol-1，溫度為25 ℃。每個處理設三次重復，每個重復測定三 片葉。

1.5 小麥生理指標測定

取處理后的小麥葉片，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量[14]。可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；脯氨酸含量的測定采用酸性茚三酮法，利用南京建成生物工程研究所試劑盒進行測定。SOD活性測定采用羥胺法；CAT和POD活性測定采用可見光法，三種抗氧化酶活性具體參照南京建成生物工程研究所試劑盒說明書進行測定。各項生理指標均測定三次。

1.6 數據分析

用SPSS 19.0進行數據統計分析，采用LSD法進行處理間差異顯著性分析，用Excel 2010進行圖表的制作。

2 結果與分析

2.1 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥農藝性狀的影響

與CK相比，鹽脅迫(T0)導致新春6號的株高顯著降低，對新春11號影響不顯著(表1)，說明鹽脅迫對鹽敏感品種新春6號植株有明顯的致矮作用。與T0處理相比，新春6號株高在T1、T2、T3處理下均顯著下降，降幅分別為8.01%、10.66%、11.93%；新春11號株高在T2、T3處理下顯著下降，降幅分別為10.27%、7.38%，說明鹽脅迫下DNA去甲基化對小麥株高表現出一定的抑制作用。與CK相比，鹽脅迫后兩個品種的穗長、穗粒數、穗粒重均顯著降低；DNA甲基化抑制劑和鹽脅迫共同處理與單獨鹽脅迫相比差異較小，基本上均不顯著。這表明鹽脅迫會抑制鹽敏感小麥品種生長，降低穗長、穗粒數和穗粒重。DNA去甲基化也會造成小麥植株矮化，但對產量性狀影響不大。

表1 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥農藝性狀的影響Table 1 Effect of 5-azaC on wheat agronomic traits of two wheat varieties

2.2 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥葉片氣體交換參數的影響

與CK相比，鹽脅迫對兩個品種的Tr均產生明顯的抑制作用，對Pn、Gs和Ci影響均不顯著(表2)。鹽脅迫下，新春11號的Pn值隨著DNA甲基化抑制劑濃度的升高呈降低趨勢，其中T2、T3處理與T0處理均差異顯著，降幅分別為22.12%、27.88%，而DNA甲基化抑制劑對新春6號的Pn影響不顯著。鹽脅迫下DNA甲基化抑制劑處理與T0處理相比顯著降低了新春6號的Tr，但提高了新春11號的Tr，其中T2和T3處理與T0處理差異達到顯著水平；新春6號T2和T3處理的Gs和Ci較T0處理均顯著提高，而DNA甲基化抑制劑處理對新春11號的Gs和Ci影響均不顯著。以上結果說明，鹽脅迫下DNA去甲基化會對小麥光合能力產生抑制作用，減弱鹽敏感品種新春6號氣孔的氣體交換，但對耐鹽品種新春11號氣孔的氣體交換影響不大。

表2 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥葉片氣體交換參數的影響Table 2 Effect of DNA methylation inhibitor on gas exchange parameters of wheat leaves under salt stress

2.3 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥葉片MDA含量的影響

與CK相比,鹽脅迫后新春6號、新春11號葉片MDA含量分別上升37.02%、30.67%，差異均顯著(表3)，說明鹽脅迫對小麥產生過氧化傷害，且對新春6號損傷程度較大。鹽脅迫下新春6號葉片T1處理的MDA含量較T0處理顯著降低，降幅31.06%，與正常水平(CK)相當，但T2和T3處理與T0處理差異不顯著；新春11號則表現相反，T2、T3處理與T0處理相比顯著降低，降幅分別為29.59%、48.47%，T1處理變化不顯著。由此可見，DNA去甲基化減弱鹽脅迫對小麥膜脂過氧化傷害的效果因DNA甲基化抑制劑濃度和小麥耐鹽性而不同，低濃度DNA甲基化抑制劑對鹽敏感品種有利，高濃度DNA甲基化抑制劑對耐鹽品種有利。

表3 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥葉片MDA含量的影響

2.4 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥葉片脯氨酸含量和可溶性糖含量的影響

與CK相比，鹽脅迫后小麥葉片脯氨酸和可溶性糖含量變化均不顯著(表4)。鹽脅迫下DNA甲基化抑制劑處理的新春6號脯氨酸含量有所上升，其中T2、T3處理與T0處理差異顯著；DNA甲基化抑制劑處理的新春11號脯氨酸含量及兩品種可溶性糖含量均與T0處理差異不明顯。這說明鹽脅迫條件下，DNA去甲基化可促進鹽敏感品種新春6號脯氨酸積累，對可溶性糖影響不大，而對耐鹽品種新春11號脯氨酸和可溶性糖含量影響較小。

表4 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥葉片脯氨酸和可溶性糖含量的影響Table 4 Effect of DNA methylation inhibitor on proline and soluble sugar content in wheat leaves under salt stress

2.5 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥幼苗抗氧化酶活性的影響

鹽脅迫導致新春11號POD活性顯著下降，對其SOD和CAT活性及新春6號的三種酶活性影響均不明顯(表5)。鹽脅迫下DNA甲基化抑制劑處理顯著增強了新春11號的POD活性，T1、T2、T3處理較T0處理分別提高7.54%、13.94%、9.73%，與CK水平相當，而對SOD、CAT活性影響較小；DNA甲基化抑制劑處理可顯著增加新春6號的SOD、CAT活性，而降低POD活性。以上結果說明，DNA去甲基化對鹽脅迫下小麥葉片抗氧化酶活性的影響因品種而異。

表5 DNA甲基化抑制劑對鹽脅迫下小麥葉片抗氧化酶活性的影響Table 5 Effect of DNA methylation inhibitor on antioxidant enzyme activities in wheat leaves under salt stress

3 討 論

植物在遭受鹽脅迫逆境時，產生滲透、氧化等脅迫反應，對植物生長產生抑制作用[15]。逆境條件下，DNA甲基化能夠調節植物抗逆相關基因的表達和生長發育的能力。5-azaC是一種DNA甲基化抑制劑，其誘導DNA甲基化變化，可增強植物對非生物脅迫的抗性。

研究發現，鹽脅迫下不同小麥品種的株高、穗長、分蘗數等都不同程度地降低[16]。King[17]和Sano等[18]用5-azaC處理甘藍幼苗和水稻種子，發現其生長發育表現出許多異常，如植株矮化和葉片變小。本研究表明，小麥的生長發育在鹽脅迫下受到明顯抑制，株高、穗長、穗粒數和穗粒重均顯著降低。DNA甲基化抑制劑處理后小麥株高相比單獨鹽脅迫處理顯著下降，造成植株矮化，這與前人的研究結果是一致的。Farquhar等[19]認為，造成小麥光合作用變化的原因主要有兩方面：(1)氣孔導度下降，導致CO2供應不足；(2)同化CO2能力下降，胞間CO2濃度升高。本試驗結果表明，鹽脅迫下小麥凈光合速率下降，同時氣孔導度和胞間CO2濃度明顯降低，說明光合速率的降低是因為氣孔因素限制而導致的。鹽脅迫導致膜脂過氧化促使丙二醛(MDA)積累，對小麥造成傷害[20]。本研究中，鹽脅迫下DNA甲基化抑制劑處理后，小麥葉片MDA含量顯著降低，低濃度抑制劑可顯著降低新春6號葉片MDA含量，高濃度抑制劑可顯著降低新春11號葉片MDA含量，可見耐鹽性不同的小麥品種對DNA甲基化抑制劑濃度表現出不同的敏感性。

逆境條件下，脯氨酸、可溶性糖等滲透調節物質顯著積累，以調節細胞滲透壓，增強植物適應逆境的能力[21]。本研究表明，DNA去甲基化處理可提高鹽脅迫下小麥葉片脯氨酸含量和可溶性糖含量，耐鹽性強的小麥品種新春11號變化幅度較小，耐鹽性弱的小麥品種新春6號變化幅度較大，這與Guzel等[22]的研究結果是一致的。鹽脅迫下小麥體內活性氧積累，導致細胞膜膜脂過氧化，植物通過增強體內抗氧化酶活性來減輕逆境脅迫造成的傷害。許會會等[11]研究發現，5-azaC處理可顯著增強熱脅迫下白菜幼苗POD、SOD活性。本研究中，DNA去甲基化處理提高了鹽脅迫下小麥葉片抗氧化酶的活性。鹽脅迫條件下5-azaC處理對SOD和CAT活性的影響表現為在鹽敏感品種中明顯上升，耐鹽品種中明顯下降，而POD活性則表現為在鹽敏感品種中明顯下降，而在耐鹽品種中明顯上升。這也說明耐鹽性不同的小麥通過提高不同的抗氧化酶活性來提高小麥幼苗的抗鹽性，這與前人研究結果相似[23]。

綜上所述，DNA去甲基化可對植株造成矮化，增強鹽脅迫條件下小麥的抗氧化能力，降低膜脂過氧化程度，增強其抗逆能力，耐鹽性不同的小麥品種對DNA去甲基化抑制劑敏感性不同。推測DNA甲基化參與調節小麥抗鹽性基因表達，從而調控小麥植株的耐鹽能力。