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内源小干扰RNA(siRNAs)是在转录后水平上通过特异地定位mRNA来负调控基因表达的一个非编码小RNA家族。DNA甲基化是在转录水平上沉默基因表达的表观遗传学标记。siRNA和DNA甲基化在植物生长发育和适应环境中起着重要作用。镉(Cd)是对动植物和人类有毒的重金属,它在稻米中的积累是(特别是在亚洲)农业的一个重大问题。
本研究以Cd高积累水稻品种(秀水110)和Cd低积累水稻品种(秀水11)为材料,研究了siRNA和DNA甲基化对水稻体内Cd积累的影响。在Cd胁迫条件下水稻发育时期具有不同Cd积累模式,根部吸收Cd向上转运量,特别是叶片中Cd积累量是决定稻米Cd积累的一个关键步骤。
通过采用实时定量PCR研究了水稻品种秀水110和秀水11中与Cd积累相关基因的表达图谱变化。结果表明OsPCR1基因在两个水稻品种不同生长发育期(营养生长期、抽穗前期、抽穗期、成熟期和完全成熟期)的表达水平显著不同。在营养生长期,秀水11中OsPCR1基因的表达量高于秀水110中该基因的表达量,而在以后的各个时期,秀水110中该基因的表达量高于秀水11中该基因的表达量。
采用实时定量PCR鉴定了一个与OsPCR1基因第二个外显子区域匹配的siRNA。研究结果表明两个水稻品种叶片中该siRNA的表达量和OsPCR1基因的表达量是负相关的。在Cd胁迫条件下的秀水110不能有效地积累该siRNA,而秀水11能在抽穗前期有效地积累该siRNA,从而导致秀水11中OsPCR1基因的表达量在抽穗前期急剧的降低。
采用定量PCR和McrBC试验发现OsPCR1基因第二个外显子DNA甲基化水平在两个水稻品种之间存在显著差异。在营养生长期,秀水11中OsPCR1基因第二个外显子DNA甲基化水平低于秀水110中OsPCR1基因该区域DNA甲基化水平,而在以后的各个生长时期,秀水11中该区域DNA甲基化水平高于秀水110中该区域DNA甲基化水平。这一结果与两个水稻品种中的不同的OsPCR1基因表达水平是互补的。这暗示OsPCR1基因的第二个外显子DNA甲基化可能参与OsPCR1基因的转录调控。以上这些结果表明表观遗传学因素在水稻体内Cd积累相关基因的表达调控方面有着重要作用。