





中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (21): 4482-4496.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.21.017
收稿日期:2024-12-10
接受日期:2025-09-22
出版日期:2025-11-01
发布日期:2025-11-06
通信作者:
联系方式:
高荣,E-mail:gaor@st.gsau.edu.cn。
基金资助:
GAO Rong(
), LI HengYu, CHEN LiJuan, MA HuiLing(
)
Received:2024-12-10
Accepted:2025-09-22
Published:2025-11-01
Online:2025-11-06
摘要:
【背景】土壤盐碱化是全球农业生产面临的主要生态问题之一,严重限制了作物的正常生长、产量形成及品质提升。紫花苜蓿(Medicago sativa)作为重要的多年生豆科牧草,生产力受到盐碱胁迫的严重制约,其应对盐碱胁迫的表观遗传学调控机制尚不清楚。DNA甲基化作为一种关键的表观遗传修饰,在植物适应非生物胁迫中发挥重要作用。【目的】在系统鉴定紫花苜蓿中DNA甲基化相关基因家族成员,解析其在盐碱胁迫下表达特征的基础上,通过施用DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷(5-AzaC),探讨DNA甲基化在苜蓿耐盐碱性形成过程中的作用机制,以期为耐盐碱苜蓿种质改良提供理论依据。【方法】基于紫花苜蓿参考基因组,对DNA甲基转移酶和去甲基酶基因进行全基因组鉴定,并结合系统发育分析与保守结构域注释推测其功能。采用RT-qPCR检测这些基因在盐碱胁迫下的表达模式。以甘农3号为材料,在水培条件下设置不同浓度的5-AzaC预处理,筛选最佳浓度后,进一步测定植株的生长、生理和光合相关指标,以评价5-AzaC对紫花苜蓿耐盐碱性的调控作用。【结果】共鉴定出紫花苜蓿中13个DNA甲基转移酶基因和4个DNA去甲基酶基因,相关蛋白均定位于细胞核,且保守结构域完整。表达分析表明,MsCMT4、MsCMT6、MsCMT8和MsDML2在盐碱胁迫下显著上调,表明DNA甲基化与去甲基化过程均参与胁迫响应。生理测定结果显示,100 μmol·L-1 5-AzaC显著缓解了盐碱胁迫造成的植株生长抑制,株高、鲜重和干重分别较对照提高12.62%、23.50%和18.67%。在光合色素代谢方面,5-AzaC有效抑制了叶绿素降解相关基因PAO、CAO和NYC的表达,减缓了色素降解。光合参数分析表明,5-AzaC处理显著提升了净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr),并增强了光系统II的量子效率(YII)和光化学猝灭系数(qP),表明其有助于维持光系统稳定性和高效性。在渗透调节方面,5-AzaC促进了可溶性糖的积累(增加37.21%),而对可溶性蛋白无显著影响。活性氧(ROS)分析显示,5-AzaC处理显著降低了H2O2和O2-·含量(分别下降22.8%和35.8%),同时超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性分别提高13.58%和21.82%,表明其能够通过增强抗氧化系统缓解氧化损伤。【结论】本研究系统解析了紫花苜蓿中DNA甲基化相关基因的家族组成及其在盐碱胁迫下的响应特征,揭示了DNA甲基化在紫花苜蓿耐盐碱性形成中的关键作用。外源施用5-AzaC可通过维持光合系统稳定、提升光合效率、促进渗透调节物质积累并增强ROS清除能力,从而有效改善紫花苜蓿的盐碱耐性。为阐释牧草应对非生物胁迫的表观遗传学机制提供了新的试验证据,并为耐盐碱苜蓿种质改良与利用提供了理论参考。
高荣, 李恒宇, 陈丽娟, 马晖玲. 5‑AzaC缓解紫花苜蓿盐碱胁迫的生理效应及其对DNA甲基化酶基因表达的影响[J]. 中国农业科学, 2025, 58(21): 4482-4496.
GAO Rong, LI HengYu, CHEN LiJuan, MA HuiLing. Physiological Effects of 5-AzaC on Alleviating Salt‑Alkali Stress in Alfalfa and Its Impact on the Expression of DNA Methylation Enzyme Genes[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(21): 4482-4496.
表1
RT-PCR引物"
| 基因名称 Gene name | 正向引物 Forward primer(5′-3′) | 反向引物 Reverse primer(5′-3′) |
|---|---|---|
| MsActin | GACAATGGAACTGGAATGG | CAATACCGTGCTCAATGG |
| MsCMT1 | CGCCTGAGTTTGAGCGCA | TGGCATTTCGTCCCGAGT |
| MsCMT2 | CCCCAGCGTTGTACCTGG | TCAGTATGAGGAGTGGTCCCA |
| MsCMT3 | GCTGACTCTCAAAGTGCACC | GCACTCCCTTGAGGTCCC |
| MsCMT4 | GACATACTGCCCAGCTGCA | GTCAAAGGAGGTCCGCCA |
| MsCMT5 | AGGTTCTTCTCCACCCGGA | ACGGGAACAGCAACTGCA |
| MsCMT6 | AGCTACGGGGCTTCTCCT | GCATTCCACTTGGTGCGC |
| MsCMT7 | TGGCCTCAACGTTACGCA | TCCCTTCCTCGCCCTTGA |
| MsCMT8 | GGACCTGGGCCCTTTGAA | GTCCACTGGGGTGAGTGC |
| MsCMT9 | GCTGTTCCTGTGGCCCTT | CGGGCTAGACAACTTGGGT |
| MsDNMT1 | TTCACCGAAGCTTGGCGT | CACTCGATCAACGGCGGA |
| MsMET1 | GCTGCCGTCCGTAGTACC | CCATTGCCTACAGCTGGGA |
| MsMET2 | CGTCCGCAGTACCGCAAA | CCATTGCCTACAGCTGGGA |
| MsMET3 | CAGTCCGCAGTACCGCAA | CCATTGCCTACAGCTGGGA |
| MsDML1 | TCTGGCAGAGATTTGTCCTGT | GCTGTTTGGCATTACTGTGGC |
| MsDML2 | AACGAACGGTGCATGGGT | TGGTCTGCTTGCCAGTCTG |
| MsDML3 | CAGGACTGGAGCAGAAGAACA | TCAGGGAGAGACAAGGGCA |
| MsDML4 | TGGGATTGTACCTGCGGC | CCGAAGCCGCCTCTGTC |
| MsCAO | CCGGCATCTGGTCTGCAA | CCGGGCTTCGAAATCCCA |
| MsCLH | AGCTGCAATAACAAGTTGGCT | TTTCCGCCGCGACTATGG |
| MsNYC | GTTCCACGAATGCGAGTCG | GACCTCGCCGTACCCAAG |
| MsPAO | CCGAGAATGGCGGTGACA | CGTGTCGCCTCAGCCAAT |
表2
紫花苜蓿DNA(去)甲基转移酶基因基本信息"
| 基因名称 Gene name | 基因ID Gene ID | 染色体 Chromosome | 氨基酸数 Number of amino acids | 分子量Molecular weigh | 等电点 Point isoelectric | 不稳定系数Instability index | 亲水性 GRAVY value | 亚细胞定位 Subcellular localization |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MsMET1 | MS.gene071054.t1 | chr4.1 | 1653 | 185714.22 | 5.53 | 44.39 | -0.498 | Nuclear |
| MsMET2 | MS.gene043208.t1 | chr4.2 | 1506 | 169133.86 | 5.98 | 44.2 | -0.492 | Nuclear |
| MsMET3 | MS.gene010135.t1 | chr5.2 | 1311 | 146538.82 | 5.95 | 43.9 | -0.381 | Nuclear |
| MsCMT1 | MS.gene056526.t1 | chr8.3 | 1124 | 126873.89 | 5.78 | 42.68 | -0.576 | Nuclear |
| MsCMT2 | MS.gene010674.t1 | chr4.4 | 850 | 96315.79 | 5.22 | 43.52 | -0.563 | Nuclear |
| MsCMT3 | MS.gene64852.t1 | chr5.1 | 835 | 94196.68 | 5.36 | 41.38 | -0.549 | Nuclear |
| MsCMT4 | MS.gene72088.t1 | chr6.3 | 931 | 103979.18 | 5.67 | 44.82 | -0.548 | Nuclear |
| MsCMT5 | MS.gene51465.t1 | chr3.4 | 894 | 100820.99 | 6.28 | 36.94 | -0.427 | Nuclear |
| MsCMT6 | MS.gene92341.t1 | chr5.1 | 859 | 96724.01 | 7.93 | 38.79 | -0.526 | Nuclear |
| MsCMT7 | MS.gene50806.t1 | chr4.1 | 550 | 62072.73 | 4.67 | 37.23 | -0.488 | Nuclear |
| MsCMT8 | MS.gene009335.t1 | chr3.1 | 481 | 53450.93 | 5.99 | 36.33 | -0.28 | Nuclear |
| MsCMT9 | MS.gene89792.t1 | chr4.4 | 652 | 74165.94 | 5.85 | 42.92 | -0.54 | Nuclear |
| MsDNMT1 | MS.gene002215.t1 | chr2.3 | 427 | 48313.21 | 4.89 | 40.8 | -0.397 | Nuclear |
| MsDML1 | MS.gene050207.t1 | chr1.1 | 1497 | 168803.93 | 6.07 | 44.77 | -0.732 | Nuclear |
| MsDML2 | MS.gene60556.t1 | chr1.2 | 1795 | 202529.87 | 6.28 | 43.97 | -0.776 | Nuclear |
| MsDML3 | MS.gene020552.t1 | chr7.2 | 1798 | 201809.19 | 6.06 | 47.28 | -0.747 | Nuclear |
| MsDML4 | MS.gene47350.t1 | chr1.1 | 2232 | 247919.17 | 5.88 | 52.08 | -0.776 | Nuclear |
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