基本信息
- 項目名稱：
- 物理和化學(xué)誘變因素誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生表觀遺傳變異的研究
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡介：
- 本作品選擇重要農(nóng)作物水稻作為實驗材料，水稻是世界主要糧食作物之一，栽培歷史已有6000～7000年。經(jīng)過自然選擇以及人工育種，水稻品種大量豐富，稻米品質(zhì)有了很大提高。航天誘變、γ射線和EMS（甲基磺酸乙酯）處理是水稻育種中常用的誘變方法。在特定條件下處理水稻種子，可以誘導(dǎo)產(chǎn)生大量突變體。其中一些具有特殊性狀的突變體如大粒、早熟等可作為育種的種質(zhì)資源，從而為培育水稻新品種提供良好的材料。而以上三種誘變手段應(yīng)用于水稻的表觀遺傳學(xué)的研究目前還是空白，其表觀遺傳變異規(guī)律尚不清楚。因此，探討物理（如航天誘變、γ射線）、化學(xué)（如EMS）誘變因素處理是否可以誘導(dǎo)水稻表觀遺傳變異的產(chǎn)生是具有理論意義和實踐價值的。本作品研究結(jié)果表明，物理和化學(xué)誘變因素處理水稻種子均可以誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生表觀遺傳變異。這一研究結(jié)果豐富了人們對于理化誘變因素的認識，對于作物誘變育種和人類健康（如何預(yù)防和防護輻射）均具參考價值和指導(dǎo)意義。上述研究結(jié)果已完成研究論文3篇，并投稿本領(lǐng)域國際SCI雜志，其中1篇已正式發(fā)表，1篇已接受，1篇在審稿中；另有1篇在撰寫中。
- 詳細介紹：
- 人們已知電離輻射、航空誘變等物理因素和EMS（甲基磺酸乙酯）等化學(xué)誘變劑可以誘導(dǎo)廣泛的遺傳變異。近年來遺傳學(xué)的快速發(fā)展導(dǎo)致了一門新分支的產(chǎn)生----即表觀遺傳學(xué)(epigenetics)。表觀遺傳變異是指不需要DNA序列改變的基因表達的可遺傳變異，因此對于動植物種質(zhì)改良和人類健康都具有重要意義。然而目前尚未有關(guān)理化誘變因素誘導(dǎo)表觀遺傳變異發(fā)生的報道。 2003年Nature雜志同時發(fā)表了三篇論文報道第一個活躍的水稻內(nèi)源MITE類轉(zhuǎn)座子，mPing。其中的一篇論文報道了γ射線處理水稻種子，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)細長穎片（slg）的等位基因變異的原因不是射線的直接誘變而是輻射后引起了本來沉默轉(zhuǎn)座子mPing的激活和插入，而轉(zhuǎn)座子的活性受表觀遺傳學(xué)機制調(diào)控。其他科學(xué)家的研究表明，γ射線處理具有誘變作用，并可影響細胞的多種生理活動。γ射線處理植物水稻是否可以影響基因組的表觀狀態(tài)以及轉(zhuǎn)座子的活性等表觀遺傳變異目前尚不清楚。 表觀遺傳學(xué)是指沒有DNA序列變異的基因表達的改變，因此對于動植物遺傳改良和人類健康都具有重要意義。以上三種誘變手段應(yīng)用于植物的表觀遺傳學(xué)的研究目前還是空白，這激起我們小組的極大興趣。因此，我們研究了航天誘變、γ射線輻射和EMS分別處理條件下能否引起轉(zhuǎn)座子激活和DNA甲基化變異，基因表達變異及其世代間的傳遞，同時也對其表觀遺傳調(diào)控的機制進行探討。希望通過對γ射線輻射和EMS誘導(dǎo)轉(zhuǎn)座子的激活進一步理解轉(zhuǎn)座子的激活轉(zhuǎn)座規(guī)律。此外，通過研究誘變引起DNA甲基化的變異特點，試圖揭示DNA甲基化改變與轉(zhuǎn)座子活性之間的關(guān)系。表觀遺傳在植物生長發(fā)育過程中起著極其重要的作用，進而在作物改良中具有巨大潛力。希望本文研究結(jié)果能夠為作物誘變育種提供新的理論依據(jù)，對于水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。 航天育種是利用衛(wèi)星、飛船等返回式航天器將作物的種子、組織、器官或生命個體搭載到宇宙空間, 在強輻射、微重力、高真空等太空誘變因子作用下, 使其發(fā)生遺傳性狀變異,利用其有益變異選育出農(nóng)作物新品種的育種新技術(shù)。然而，未見國內(nèi)外對于航空誘變產(chǎn)生表觀遺傳變異的相關(guān)研究。 EMS是水稻育種中一種常用的化學(xué)誘變劑。在適宜的條件下誘導(dǎo)水稻，能夠產(chǎn)生多種突變體。其中一些有益的突變體可作為育種的種質(zhì)資源，從而為培育水稻新品種提供良好的材料。但這種誘變劑誘導(dǎo)出的水稻突變體的基因組DNA甲基化變異尚不清楚。甲基化水平的高低，直接影響著基因的表達和調(diào)控。 內(nèi)源DNA的甲基化是真核生物的表觀遺傳調(diào)控的重要組成部分。研究特定條件下DNA甲基化的變異模式有助于我們?nèi)娴睦斫釪NA甲基化的表觀調(diào)控生物學(xué)功能。航天誘變、γ射線和EMS處理育種是水稻育種中常用的誘變方法，能有效誘導(dǎo)植物發(fā)生大規(guī)模的表型變異并育成具有優(yōu)良性狀的新品種。 本項目選擇既是模式植物也是重要農(nóng)作物的水稻為實驗材料，探討了物理誘變（航天誘變和γ射線輻射）及化學(xué)誘變劑（EMS）分別處理條件下能否引起轉(zhuǎn)座子活躍，DNA甲基化變異和基因表達變異等表觀遺傳變異及其在世代間的傳遞模式。旨在初步探討物理和化學(xué)誘變因素誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生表觀遺傳變異的分子基礎(chǔ)。 實驗結(jié)果表明，經(jīng)航天處理后，水稻日本晴中的轉(zhuǎn)座子和基因發(fā)生甲基化和基因表達的變異。Southern雜交結(jié)果表明，脅迫誘導(dǎo)后轉(zhuǎn)座子和基因都發(fā)生了超甲基化的變異，在轉(zhuǎn)座子中，CG位點和CNG位點都可發(fā)生超甲基化的變異，而在基因中這種超甲基化變異只發(fā)生在CNG位點。進一步的研究表明，這種甲基化變異的活性可以不同程度的傳遞給后代。對與負責建立和維持胞嘧啶的甲基化類型和/或染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的基因的表達狀態(tài)的RT-PCR分析表明，發(fā)生的超甲基化變異與去甲基化酶（DME）的表達的明顯降低有關(guān)。用RT-PCR的方法分析了發(fā)生甲基化變異的轉(zhuǎn)座子和基因的表達情況，結(jié)果表明不同的基因呈現(xiàn)不同的應(yīng)答有的上調(diào)有的下調(diào)，并且這種基因表達的變異也可以一定程度的傳遞給后代。航天誘導(dǎo)產(chǎn)生的這些表觀多樣性及其可遺傳性可為探討航天員的健康安全以及航天育種提供一定的參考價值。 經(jīng)γ射線處理后，水稻基因型日本晴和松前萌發(fā)率、成苗率明顯低于對照，抽穗期明顯推遲。并且松前部分處理單株出現(xiàn)約3%的白化苗，遠高于自然條件下的白化頻率。通過對轉(zhuǎn)座子mPing 進行特異引物擴增，分別從2個水稻基因型日本晴和松前中篩選出mPing發(fā)生激活的變異單株各一株。甲基化敏感擴增多態(tài)性（MSAP）分析結(jié)果顯示，2個變異單株未發(fā)生全基因組范圍內(nèi)大規(guī)模的甲基化變異。轉(zhuǎn)座子展示(TD)分析發(fā)現(xiàn)mPing的活躍插入和跳出現(xiàn)象，其插入靶位點為TTA或TAA進一步證實了mPing的激活。 經(jīng)5種濃度的EMS處理水稻品種松前，發(fā)現(xiàn)只有0.4%濃度處理的植株變異比較大，變異頻率高達22％，且植株變異類型非常豐富，出現(xiàn)了高頻率的白穗、白綠葉、矮株、分蘗少、晚熟等變異。MSAP分析表明，表型變異明顯群體的甲基化變異程度較表型變異不明顯的群體程度高，這也暗示了基因組個別位點的甲基化變化在一定程度上影響了基因的表達。Southern雜交結(jié)果與MSAP分析基本一致。 上述研究結(jié)果表明，物理和化學(xué)誘變因素處理水稻種子均可以誘導(dǎo)其產(chǎn)生表觀遺傳變異。這一結(jié)果豐富了人們對于理化誘變因素的認識，對于作物誘變育種和人類健康（如何預(yù)防和防護輻射）均具參考價值和指導(dǎo)意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 人們已知電離輻射、航空誘變等物理因素和EMS（甲基磺酸乙酯）等化學(xué)誘變劑可以誘導(dǎo)廣泛的遺傳變異，然而目前尚未有關(guān)于理化誘變因素誘導(dǎo)表觀遺傳變異發(fā)生的報道。本研究以水稻為材料，研究航天、γ射線和EMS三種條件分別處理下，能否引起轉(zhuǎn)座子激活、DNA甲基化和基因表達變異等表觀遺傳變異及其在世代間的傳遞模式，并試圖通過研究DNA甲基化變異的特點，揭示DNA甲基化變異與轉(zhuǎn)座子活性之間的關(guān)系。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- γ射線、航空誘變和EMS可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生廣泛的遺傳變異，但是，目前關(guān)于這三種誘變手段應(yīng)用于植物表觀遺傳變異的研究還是空白。本研究首次從分子水平上證實航天，γ射線和EMS均可以誘導(dǎo)包括轉(zhuǎn)座子激活、DNA甲基化和基因表達改變的表觀遺傳變異；篩選出一批可能的水稻表觀遺傳變異突變體，其中有的突變體（如大粒）可能具有育種價值。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 研究發(fā)現(xiàn)，物理和化學(xué)誘變因素處理水稻種子可以誘導(dǎo)其產(chǎn)生大量突變體，其中有益的可作為育種的種質(zhì)資源，培育水稻新品種。但理化因素誘導(dǎo)水稻發(fā)生表觀遺傳變異的研究目前還是空白，其表觀遺傳變異機制尚不清楚。因此，關(guān)于航天、γ射線和EMS這三種條件誘變處理水稻發(fā)生表觀遺傳變異如轉(zhuǎn)座子激活、DNA甲基化和基因表達變異的研究，對水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 經(jīng)航天處理后，水稻日本晴中的轉(zhuǎn)座子和基因發(fā)生甲基化和基因表達的變異。這種甲基化變異的活性可以不同程度的傳遞給后代。RT-PCR分析表明，發(fā)生的超甲基化變異與去甲基化酶（DME）的表達明顯降低有關(guān)，并且這種基因表達的變異也可以一定程度的傳遞給后代。 經(jīng)γ射線處理后，水稻基因型日本晴和松前萌發(fā)率、成苗率明顯低于對照，抽穗期明顯推遲。并且松前部分處理單株出現(xiàn)約3%的白化苗，遠高于自然條件下的白化頻率。轉(zhuǎn)座子mPing特異引物擴增，分別從水稻基因型日本晴和松前中篩選出mPing發(fā)生激活的變異單株各一株。轉(zhuǎn)座子展示(TD)分析發(fā)現(xiàn)mPing的活躍插入和跳出現(xiàn)象，其插入靶位點為TTA或TAA，進一步證實了mPing的激活。 經(jīng)5種濃度的EMS處理水稻品種松前，發(fā)現(xiàn)只有0.4%濃度處理的植株變異比較大，變異頻率高達22％，且植株變異類型非常豐富，出現(xiàn)了高頻率的白穗、白綠葉、矮株、分蘗少、晚熟等變異。MSAP分析表明，表型變異明顯群體的甲基化變異程度較表型變異不明顯的高，這也暗示了基因組個別位點的甲基化變化在一定程度上影響了基因的表達。Southern雜交結(jié)果與MSAP分析基本一致。
獲獎情況
- 本作品獲2009年某校大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽自然科學(xué)類特等獎和2009年省級“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽自然科學(xué)類特等獎。（自然科學(xué)類僅此一項） 本作品已完成2篇研究論文，并投稿本領(lǐng)域國際SCI雜志，其中1篇已正式發(fā)表，1篇在審稿中；此外，另有1篇在撰寫中。 以下是本研究完成的論文： 1. Spaceflight induces both transient and heritable alterations in DNA methylation and gene expression in rice (Oryza sativa L.). Mutation Research - Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis 2009, 662: 44–53 (SCI, IF=4.1) 2. The spaceflight environment can induce transpositional activation of multiple endogenous transposable elements in a genotype-dependent manner in rice (in press) (SCI,IF=2.3) 3. Spaceflight-induced genetic and epigenetic changes in the rice genome are independent of each other. Advance in Space Research (in revision) (SCI) 4. Variation of DNA methylation and mobilization of the active MITE transposon mPing and its putative autonomous element Pong in rice by γ-ray irradiation （manuscript in preparation）
鑒定結(jié)果
參考文獻
- 1. Jiang N, Bao Z, Zhang X,et al. An active DNA transposon family in rice[J]. Nature,2003,421:163-167. 2. Kikuchi K, Terauchi K, Wada M,et al. The plant MITE mPing is mobilized in anther culture [J]. Nature 2003, 421:167-170. 3. Nakazaki T, Okumoto Y, Horibata A, et al. Mobilization of a transposon in the rice genome [J]. Nature, 2003, 421:170-172. 4. E.J.Finnegan. Epialleles—a source of random variation in times of stress. Curr.Opin. Plant Biol. 2002,5:101–106. 5. E.J.Richards, Inherited epigenetic variation—revisiting soft inheritance, Nat. Rev. Genet. 2006,7:395–401. 6. L.N. Lukens, S. Zhan, The plant genome’s methylation status and response to stress: implications for plant improvement, Curr. Opin. Plant Biol. 2007,10:317–322. 7. J. Molinier, G. Ries, C. Zipfel, B. Hohn, Transgeneration memory of stress in plants, Nature ,2006,442:1046–1049. 8. McClintock B. The significance of responses of the genome to challenge[J]. Science, 1984, 226:792-801.
同類課題研究水平概述
- 本項目選擇水稻作為實驗材料，水稻是世界主要糧食作物之一，栽培歷史已有6000～7000年。經(jīng)過自然選擇以及人工育種，水稻品種大量豐富，稻米品質(zhì)有了很大提高。γ射線和EMS（甲基磺酸乙酯）是傳統(tǒng)的人工育種誘變劑，航天誘變?yōu)榻曜魑镉N的新方向，這三種誘變手段能有效誘導(dǎo)植物發(fā)生大規(guī)模的表型變異并育成具有優(yōu)良性狀的新品種。近年來，分子生物學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展，相關(guān)的分子水平的研究迅速展開。 人們已知電離輻射、航空誘變等物理因素和EMS等化學(xué)誘變劑可以誘導(dǎo)廣泛的遺傳變異，然而目前尚未有關(guān)理化誘變因素誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生表觀遺傳變異的報道。表觀遺傳學(xué)是指不需要DNA序列改變而形成的基因表達的可遺傳改變。主要通過DNA甲基化、轉(zhuǎn)座子活躍、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和RNA介導(dǎo)的基因沉默等機制來調(diào)控植物的生長發(fā)育，對于動植物遺傳改良和人類健康都具有重要意義。因此，研究航天、γ射線和EMS誘變處理水稻能否引起轉(zhuǎn)座子激活、DNA甲基化和基因表答等表觀遺傳變異，具有很大的研究價值。 另外誘變引起的表觀遺傳變異是否會遺傳給后代？遺傳機制又如何？沉默的轉(zhuǎn)座子可否被激活然后將其活躍的狀態(tài)遺傳給后代，活躍可能是暫時的（局限于激活當代），有時能持續(xù)幾代的繼續(xù)激活。DNA甲基化是植物體潛在的基本的基因組防御體系，它隨環(huán)境刺激和基因組改變而調(diào)整其生理機制，對外界刺激做以應(yīng)答。特殊的環(huán)境條件刺激能否引起植物基因組DNA可遺傳的甲基化變異，遺傳機制如何？這種表觀機制如何影響轉(zhuǎn)座子活性、調(diào)控DNA甲基化及基因表達變異有待研究。 本論文以模式作物水稻為材料，研究航天誘變、γ射線輻射和EMS分別處理條件下能否引起轉(zhuǎn)座子激活、DNA甲基化和基因表達變異，及其在世代間的傳遞，同時也對其表觀遺傳調(diào)控的機制進行探討。希望通過研究航天誘變、γ射線輻射和EMS誘導(dǎo)轉(zhuǎn)座子激活，進一步理解轉(zhuǎn)座子的激活轉(zhuǎn)座規(guī)律。此外，通過研究誘變引起的DNA甲基化變異的特點，試圖揭示DNA甲基化改變與轉(zhuǎn)座子活性之間的關(guān)系。表觀遺傳調(diào)控在植物生長發(fā)育過程中起著極其重要的作用，進而在作物改良中具有尚未被發(fā)掘的巨大潛力。本文研究結(jié)果能夠為作物誘變育種提供新的理論依據(jù)，對于水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。
