水稻生殖生長期的高溫危害與表觀遺傳

高 偉，徐延浩，吳晨陽，田小海 （長江大學農學院，湖北荊州434025）

隨著全球溫室效應加劇，高溫已經成為水稻 （OrgzasativaL．）生產的環(huán)境脅迫因子。研究水稻高溫危害的機制對培育抗性品種、促進水稻生產具有重要意義。早期的研究認為，高溫主要影響水稻的生理生化變化、雄配子的發(fā)育。而最新的研究表明，表觀遺傳修飾是調控植物雄配子發(fā)育和成熟的重要方式，也是植物逆境應答及適應的重要機制之一。因此，有必要從表觀遺傳學角度深入開展水稻生殖生長期高溫危害的機制研究。

1 溫室效應與水稻高溫危害

隨著全球的工業(yè)化，二氧化碳 （CO2）和甲烷 （CH4）等溫室氣體的大量排放，全球氣溫持續(xù)升高。政府間氣候變化專門委員會 （IPCC）的評估報告明確指出，在過去的100a（1906～2005）地球表面平均溫度上升了0．74℃，預計到21世紀末全球地表平均增溫1．1～6．4℃［1］。對最近幾十年的氣象資料分析表明，極端性氣候 （如夏季短期高溫）在許多區(qū)域出現(xiàn)更頻繁［2-3］。

全球氣溫上升已經對多種作物的種植產生了明顯的影響。水稻是世界各國特別是亞洲國家的主要糧食作物，其生長發(fā)育有一個適宜的溫度范圍，在水稻生長的環(huán)境敏感期和敏感溫度范圍內，溫度每升高1℃，將導致產量損失達10%以上［4］。水稻營養(yǎng)生長期遇到35℃以上高溫生長會受到抑制［5］；減數(shù)分裂期遭遇35℃以上高溫會影響減數(shù)分離行為，降低花粉育性及花藥開裂率，造成結實率下降；抽穗開花期遭遇35℃高溫1h就會導致水稻不育［6-7］；灌漿期35℃高溫通過影響花粉育性和干物質轉運和積累，從而導致每穗粒數(shù)和千粒重的變化并影響稻米品質［8-9］。

水稻高溫危害具有發(fā)生突然、成災面積大、常造成致命性減產等特點［6］。2003年7月下旬至8月上旬長江流域稻區(qū)出現(xiàn)罕見的高溫天氣，湖北省有47萬hm2中稻受害，損失糧食10多億kg［10-12］；隨后的2006年、2007年，長江流域部分地區(qū)出現(xiàn)嚴重的局部高溫天氣，也給水稻生產造成了嚴重損失［12-15］。由此可見，在全球變暖的背景下，氣溫不斷上升和極端氣候頻繁分別使水稻生產面臨著巨大的常規(guī)性減產和突發(fā)性減產風險。

2 水稻耐熱的遺傳基礎

早期研究表明，不同水稻材料對高溫的耐性差異有3～6℃，這為水稻耐熱性的遺傳研究及抗高溫育種奠定了基礎［16-17］。曹立勇等［18-19］利用秈粳交DH群體，共檢測到與水稻開花結實期耐熱性相關的6個具有加性效應的QTL以及8對耐熱性上位性效應QTL位點。朱昌蘭等［20］利用回交重組自交系群體（backcross inbred lines，BILs），分別在第1、4和7染色體上定位到3個灌漿期耐熱性主效QTL。趙志剛等［21］利用回交群體 （backcross，BC），在第2、4和5染色體上發(fā)現(xiàn)3個孕穗期耐熱性相關的QTL。陳慶全等［22］以秈-秈重組自交系 （recombinant inbred line，RIL）為材料，檢測到7個抽穗開花期耐熱主效QTL及7對上位性QTL。張濤等［15］用秈-粳重組自交系群體，在第2、3、5連鎖群上檢測到3個抽穗揚花期的耐熱QTL。盤毅等［23］采用水稻開花期高溫脅迫下的花粉育性為指標，對水稻耐熱性進行了QTL分析，檢測到2個花粉育性耐熱性QTL，分別位于第4和第6染色體。不同的研究小組檢測到的QTLs有差異［15，18-23］，表明水稻耐熱性遺傳基礎非常復雜，受環(huán)境、發(fā)育等因素影響較大，是一個復雜的生物學過程，厘清高溫對水稻生長發(fā)育的影響是解析水稻危害、培育抗性品種的基礎之一。

3 高溫對水稻生理生化的影響

水稻苗期遭遇高溫危害，表現(xiàn)出葉鞘變白和失綠等病癥，株高、根長、生物量和葉綠素相對含量（SPAD值）顯著降低［5，24］。蛋白質組學的分析表明，苗期高溫導致水稻葉片的蛋白種類和表達量都發(fā)生巨大改變［24-25］。

水稻生殖生長期的高溫危害遠重于營養(yǎng)生長期。已有的研究表明，水稻對高溫的第一敏感時期是抽穗揚花時期，其次是小孢子發(fā)育早期［16-17，26］。生殖生長期遭遇高溫，葉片衰老加速、劍葉葉綠素喪失，光合能力下降［27-28］。生理生化的研究表明，高溫導致RuBP羧化酶活性降低、SOD活性降低、質膜透性和MDA含量明顯增加、脯氨酸和可溶性蛋白及可溶性糖含量降低、籽粒灌漿速率和籽粒重下降［27-30］，且游離脯氨酸變化與水稻結實率的相關性達顯著水平［31-33］。黃英金等［32］研究表明，多胺的積累能力也與水稻對高溫的適應性有關。此外，高溫還引起水稻內源激素水平的變化，雷東陽等［33-34］發(fā)現(xiàn)，耐熱性強的水稻組合在高溫條件下ABA含量增幅比耐熱性差的組合大。這些基于營養(yǎng)器官的研究有助于人們了解高溫對水稻結實的傷害機理，但更直接的證據(jù)來源于對高溫脅迫下水稻傳粉、受精等過程的研究。

4 高溫對水稻生殖發(fā)育的影響

一般認為，溫度在41℃以下時，水稻雌蕊的授粉能力不受影響，但雄配子比較敏感［17］。Matsui等［35-40］認為高溫主要影響漿片的吸水和快速膨脹過程，從而導致花藥開裂不良，柱頭授粉數(shù)減少；他們提出花藥內生空腔與藥室之間的細胞層數(shù)和花粉囊基部的開裂長度是區(qū)分抗性品種和感性品種的2個重要形態(tài)學指標。此外，高溫也影響花粉的活性，導致花粉在柱頭上萌發(fā)困難、花粉管伸長受阻，因而無法正常完成受精過程［41-43］。張桂蓮等［44］的研究表明，高溫脅迫改變了花藥藥隔維管束的微觀結構。Jagadish等［42］研究了高溫脅迫下水稻花粉蛋白組的變化，鑒定了46個高溫誘導表達的蛋白，并發(fā)現(xiàn)在抗性品種中熱激蛋白的表達量顯著提高。

鄧遠等［7］研究發(fā)現(xiàn)，減數(shù)分裂期高溫直接導致水稻花粉母細胞發(fā)育異常、四分體無法適時分散，并進一步影響到后期生殖細胞排列的方向性、絨氈層細胞及花粉粒的形態(tài)，從而導致花粉敗育及花藥開裂困難。Endo等［43］研究發(fā)現(xiàn)，減數(shù)分裂期高溫導致花藥的基因表達發(fā)生廣泛的改變，特別是絨氈層相關的基因。綜合鄧遠等［7］和Endo等［43］的結果來看，減數(shù)分裂期高溫可能主要是引起絨氈層功能異常，導致花粉不能正常發(fā)育而引起不育。

早期的觀點認為高溫對花藥的傷害沒有累積效應，但上述這些研究已經充分說明高溫傷害對雄配子發(fā)育有累積效應，早期的高溫危害可能影響后續(xù)花藥的正常發(fā)育與成熟過程，進而導致花藥開裂困難和授粉行為障礙。因此，必須對高溫脅迫下水稻花藥的發(fā)育進行深入研究，弄清花藥受害的分子機理，為培育耐高溫水稻品種、找到減輕水稻高溫危害的調控方法提供依據(jù)。

5 植物有性生殖過程中的表觀遺傳變化

已有很多證據(jù)表明，DNA甲基化、組蛋白修飾及小RNA在植物配子體的發(fā)生過程中起到重要作用。黃俊駿等［45］研究表明，在從花粉母細胞到粗線期早期之前的這段短暫發(fā)育過程中，DNA甲基化水平為33．5%，其后則上升到54．8%。有證據(jù)表明，同源染色體的配對與一種減數(shù)分離期特異的組蛋白H3K4-三甲基化轉移酶的活性有關［46］。煙草處于萌發(fā)前期的花粉核的DNA甲基化水平急劇下降至營養(yǎng)核的20%的水平［47］。

小干擾RNA （small inference RNA，siRNA）組的分析表明擬南芥成熟花粉中的siRNA的類型和表達與葉片存在明顯不同［48］。Slotkin等［49］使用轉座子展示技術發(fā)現(xiàn)在擬南芥花粉成熟過程中AtMu1的轉錄激活，并檢測到轉座活性，甲基化測序發(fā)現(xiàn)AtMu1在花粉中發(fā)生了去甲基化，同時還檢測到來自Athila反轉座子轉錄產生的siRNA富集在花粉中。Wei等［50］利用大規(guī)?；蚪M測序技術研究了單核至三核期水稻花粉小RNA的動態(tài)特征，在基因組水平上鑒定了292個已知的miRNAs和75個新的miRNAs，大部分已知miRNAs在花粉中表達，而多數(shù)新發(fā)現(xiàn)的miRNAs在花粉中特異性表達。

除DNA甲基化外，不同組蛋白的變異體的動態(tài)交換及組蛋白伴侶分子對核小體的組裝也是其調控基因表達的機制之一。在擬南芥雄配子中，組蛋白H3的變異體HTR10基因高效表達，進入合子期后就被其他的變異體完全替代了［51-52］。此外，H3K9的甲基化和乙酰基化修飾也在被子植物配子的發(fā)育過程中起到了重要作用［53］。

據(jù)Matsui等［35-38］研究，高溫對開花期花藥的主要傷害是導致花藥開裂不良。值得注意的是，最新的實驗表明水稻雄性半不育基因PSS1（編碼驅動蛋白的同源蛋白并具有ATPase活性）［54］和SUMO E3連接酶SIZ1［55］這2個基因是水稻花藥開裂所必須的，推測水稻花藥開裂過程可能存在表觀遺傳調控過程［56］?；ǚ酃苌扉L障礙是高溫傷害的另一個結果。SDG4介導的組蛋白H3K4和H3K36甲基化修飾是調控花粉管的伸長一個重要方式［57］。表觀遺傳修飾在胚乳發(fā)育中起到重要作用［58］。玉米胚乳細胞DNA甲基化水平比胚和葉片低13%；此外，DNA甲基化還在維持FAW、FAS2等父本特異基因沉默中發(fā)揮重要作用［59］。這暗示灌漿期高溫可能影響胚乳的表觀遺傳修飾模式，影響稻米的品質。

6 表觀遺傳變化與植物逆境應答

表觀遺傳的一個特點就是其調控具有可逆性，賦予基因組一定的 “可塑性”，是生物體對環(huán)境應答的基礎，特別是在植物逆境脅迫適應性機制中，表觀遺傳調控機制具有重要意義［60-61］。水稻在逆境脅迫下表觀遺傳應答受到廣泛關注。MSAP分析表明水稻對白葉枯病抗性的獲得［62］和特定品種的成株抗性［63］均與基因組特異位點DNA甲基化的修飾有關系。在水淹脅迫下，水稻通過調整組蛋白H3K4甲基化和乙?；男揎棧鰪娨掖济摎涿?（ADH1）和丙酮酸脫羧酶 （PDC1）的轉錄，從而增強其逆境脅迫下的適應性［64］。此外，還有報道指出水稻在組織培養(yǎng)［65］、遠緣雜交［66］、航天誘變［67］、高壓［68］等過程中能檢測到表觀遺傳應答的發(fā)生和轉座子 （如Tos17）及其他基因表達的變化，這些研究說明表觀遺傳調控是水稻逆境脅迫適應機制中的重要組成部分之一。

擬南芥幼苗經受低溫后，基因組DNA甲基化水平發(fā)生變化，脫甲基化變化為主要趨勢［69］。水稻冷脅迫48h后基因組CCGG位點甲基化模式和甲基化水平發(fā)生明顯改變［70］。低溫導致玉米DNA甲基轉移酶表達量減少，并在Ac／Ds轉座子區(qū)、核小體連接區(qū)DNA發(fā)生去甲基化，整個基因組甲基化水平下降10%，但是核小體核心區(qū)DNA超甲基化［71-72］。低溫誘導金魚草轉座子Tam3甲基化水平降低和轉座酶活性的激活［73］。很多研究表明超低溫保存的種質資源外質體會發(fā)生DNA甲基化的變化，這種由于低溫保存產生的DNA基化變化很可能會導致體細胞變異［74-75］。低溫脅迫下植物基因組的表觀遺傳應答研究說明表觀遺傳應答參與溫度脅迫響應，暗示高溫脅迫下也可能出現(xiàn)復雜的表觀遺傳變化。

越來越多的研究表明，植物在應對病蟲害等生物脅迫、干旱脅迫、重金屬脅迫、鹽 （滲透壓）脅迫以及基因組內源多倍化時普遍會發(fā)生表觀遺傳修飾變化，這說明基因組通過 “甲基化”或者 “去甲基化”等應答，調節(jié)基因組的功能，快速的適應外界的環(huán)境變化。此外，逆境誘導的DNA甲基化變化可以通過有絲分裂和減數(shù)分裂進行多代傳遞，這為利用DNA甲基化變異進行遺傳改良提供了基礎［62］。

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