作物镉积累阻控措施是实现大量中低程度的镉污染土地安全生产的有效途径之一，而植物对镉的吸收积累特性以及调控机制是研发上述措施的重要理论基础。近期的研究发现，表观遗传修饰特别是DNA甲基化可能在调控镉胁迫过程中发挥重要的作用。植物体内的DNA甲基化模式和水平主要由DNA甲基化和DNA去甲基化动态调控,但镉胁迫是如何诱导DNA甲基化变异的以及镉胁迫诱导的DNA甲基化变化对植物镉耐性的影响机制仍然不清楚。为此，本文以拟南芥为研究材料，系统研究了镉诱导的DNA甲基化变异在植物响应镉胁迫中的作用机制。主要研究结果如下：
　　以野生型即哥伦比亚型(Col-0)拟南芥为实验材料，结合全基因组重亚硫酸盐测序技术(WGBS)技术，首先研究了镉胁迫下拟南芥DNA甲基化组的变化。镉处理(+Cd)导致植物体内DNA甲基化平均水平升高，但与CG甲基化类型相比，CHG和CHH(H代表A，C或T)甲基化类型更容易受镉影响。采用滑动窗口方法，识别到了5806个差异甲基化区域(DMRs)，均是CHG或CHH类型。进一步通过基因组注释发现大多数CHN-DMRs都与转座子重叠，其分布模式与转座子在基因组本身的分布相似，这表明镉胁迫诱导了DNA甲基化水平的增加，更偏向于CHG和CHH类型和转座子。进一步采用RNA高通量测序技术(RNA-seq)和定量PCR技术，研究了镉胁迫对主要涉及表观遗传学过程基因表达的影响，发现DNA去甲基化中的三个基因ROS1(Repressor Of Silencing 1),DML2(Demeter-like 2)和DML3的表达都被镉强烈抑制。为此，通过完全聚类分析，主成分分析和相关性系数分析对镉诱导的DMRs在Col-0和rdd突变体(ROS1,DML2和DML3功能都缺失的突变体)之间进行了对比分析。发现Col-0在+Cd下甲基化模式与rdd突变体在-Cd和+Cd下的甲基化模式均相似。上述结果表明镉诱导的DMRs与ROS1/DML2/DML3介导的DNA去甲基化的抑制有关。
　　进而以Col-0与rdd突变体为材料，研究了镉诱导的DNA甲基化变异在植物镉耐性中的作用。在20μM或40μM的镉处理条件下，rdd突变体的生长显著优于Col-0，而加DNA甲基转移酶抑制剂5-氮杂胞苷(5-aza)处理后，Col-0与rdd突变体生长差异变小。这表明镉诱导的基因组超甲基化有利于改善植物的镉耐性。进一步研究了ROS1,DML2和DML3在植物镉耐性中的冗余性。在40?μM镉处理条件下，单突ros1、双突ros1/dml2、ros1/dml3和dml2/dml3的生长均优于Col-0植株，但仍劣于rdd三突；而单突dml2和dml3的生长与Col-0植株无明显差异。这些结果表明ROS1,DML2和DML3在负调控植物镉耐性中存在部分冗余性，其中ROS1的贡献最大。
　　通过分析植物组织中的镉发现，rdd突变体根部的镉浓度明显低于Col-0；而在地上部，二者之间无明显差异。另一方面，5-aza处理却增加了Col-0植物根部的镉浓度，而对地上部的镉浓度也无明显影响。这表明增加植物体内的DNA甲基化水平有利于降低根系的镉积累。进而采用非损伤微电极系统测定了根系的镉吸收速率，发现Col-0与rdd突变体之间的净镉离子吸收速率在所检测的根系部位无显著的统计学差异。同样，5-aza处理对Col-0根系的净镉离子吸收速率也无明显影响。这两方面结果显示DNA甲基化的变异可能对于根系镉离子的吸收没有作用。因此，DNA甲基化水平提高所降低的根系镉浓度不是根系镉吸收减少所致，而可能是通过增强植物镉耐性改善植物生长所形成的稀释作用来实现的。
　　为此，研究了ROS1,DML2和DML3负调控植物镉耐性的作用机制。通过转录组测序分析发现，镉胁迫下，细胞内应答铁饥饿过程的基因表达在Col-0与rdd突变体之间存在显著差异，其中bHLH38，bHLH100，bHLH101，PYE，MTP3，IREG1，IREG2和IRT1等8个参与铁的吸收转运和稳态平衡的基因在rdd突变体的表达显著高于在Col-0中的表达。此外，rdd突变体根部的铁含量也明显高于Col-0。这表明DNA甲基化水平提高有助于改善根系的铁营养。进一步研究发现低铁(1μM)处理使Col-0与rdd突变体的镉耐性差异消除。上述结果表明根部铁营养改善是DNA甲基化水平提高改善植物镉耐性的原因。
　　综上，镉胁迫首先抑制DNA去甲基化酶基因ROS1,DML2和DML3的表达，进而伴随全基因组DNA甲基化程度的增加。基因组超甲基化导致参与铁吸收转运和平衡过程相关基因表达水平的升高，从而通过改善植物体内的铁营养缓解镉毒。