基本信息
- 項目名稱：
- 高壓誘導水稻轉(zhuǎn)座子mPing的轉(zhuǎn)座激活及全基因組范圍的基因表達改變研究
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本作品選用重要農(nóng)作物水稻為研究材料，通過高壓處理水稻純系品種豐優(yōu)307得到變異株，檢測出M3、M4代轉(zhuǎn)座子mPing發(fā)生持續(xù)激活。利用基因芯片技術，對M3代中mPing跳出頻率較高的植株做基因表達分析，發(fā)現(xiàn)了差異表達基因，對這些差異表達基因進行功能注釋和通路分析，找到了與物質(zhì)代謝、刺激應答等相關的基因，并發(fā)現(xiàn)與脅迫相關的轉(zhuǎn)錄因子。研究表明高壓脅迫可通過改變基因表達改變作物性狀，為作物育種奠定基礎。
- 詳細介紹：
- 眾所周知，水稻是世界主要糧食作物之一，世界上近一半人口，包括幾乎整個東亞和東南亞的人口，都以稻米為食，其栽培歷史已有6000～7000年。經(jīng)過自然選擇和人工育種，水稻品種大量豐富，稻米品質(zhì)有了很大提高。近年來，利用各種脅迫手段篩選優(yōu)質(zhì)的水稻品種，是水稻育種的重要方式之一。 高壓是一種可影響多種細胞活動的熱物理學作用。已有研究證明，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，DNA和蛋白質(zhì)的相互作用和基因表達都可能受到其影響。然而高壓這種誘變手段應用于作物的遺傳與表觀遺傳學的研究目前還是空白，這激起我們小組的極大興趣。 表觀遺傳學(epigenetics)是指不需要DNA序列改變而引起的基因表達的可遺傳改變，主要通過DNA甲基化、轉(zhuǎn)座子跳躍、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和RNA介導的基因沉默等機制來調(diào)控植物的生長發(fā)育。其中，轉(zhuǎn)座子跳躍介導的基因表達的可遺傳改變的研究，正在不斷深入。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。 那么高壓脅迫是否可導致水稻發(fā)生mPing轉(zhuǎn)座激活，mPing轉(zhuǎn)座激活的水稻后代是否可保持mPing持續(xù)激活狀態(tài)，其分子機理如何？mPing轉(zhuǎn)座激活的水稻后代與未經(jīng)高壓處理的對照組相比，其基因表達水平存在哪些差異？哪些基因參與了差異表達的調(diào)控？這些問題的提出與解決，使得本研究工作具有重要意義。 隨著水稻基因組研究的開展，特別是2004年水稻粳稻品種日本晴( Nipponbare )全基因組測序的完成，為應用基因芯片這一高通量分析手段從全基因組范圍內(nèi)研究基因表達變化提供了重要的技術基礎。基因芯片通過將大量cDNA片段(靶基因)或寡核苷酸序列固定或原位合成在支持物上，與標記的樣品分子進行雜交，可以檢測樣品中數(shù)萬個基因的表達量。目前，基因芯片技術因快速、準確、高通量檢測等特點，已廣泛運用于生物學的各個領域。然而，對于高壓脅迫誘導的水稻轉(zhuǎn)座子mPing激活變異株的基因表達差異仍有待研究。 本作品采用改良的CTAB法提取水稻葉片基因組DNA。根據(jù)在日本晴中已知的mPing插入位點，設計并篩選出27對在對照組豐優(yōu)307中可擴增出mPing完整序列的引物，用這27對引物對高壓處理變異株M3、M4代代進行特異位點PCR擴增，分析其mPing轉(zhuǎn)座激活情況，發(fā)現(xiàn)mPing在變異株后代中持續(xù)激活。選取后代中mPing激活頻率較高的12-14進行基因芯片檢測，比較變異株mPing持續(xù)激活后代與未經(jīng)高壓處理的群體基因表達差異，發(fā)現(xiàn)變異株后代發(fā)生了明顯的基因表達變化，其中表達上調(diào)的探針有212個，表達下調(diào)的探針有458個；通過基因功能注釋，這些差異表達基因包含在細胞組分、生物學功能和分子機制等方面；通過代謝通路分析，表達改變的基因主要參與調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、谷氨酸代謝、類苯基甲烷合成等途徑。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座子En/Spm-like家族和反轉(zhuǎn)座子及某些與脅迫相關的轉(zhuǎn)錄因子基因表達改變。 上述研究結(jié)果表明，高壓脅迫導致了變異株后代mPing持續(xù)激活，并發(fā)生基因表達差異。由于脅迫可通過改變基因表達情況進而改變生物性狀，從而為作物育種提供重要的參考價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 通過高壓處理得到變異株及其后代，分析變異株后代mPing轉(zhuǎn)座激活情況，研究變異株后代是否可保持mPing的持續(xù)激活。對突變體 M3代做基因芯片，分析得到基因表達變化規(guī)律，為水稻遺傳育種提供理論依據(jù)。思路：1.檢測高壓處理變異株后代mPing轉(zhuǎn)座激活情況；2.利用Affymetrix基因芯片技術分析12-14和豐優(yōu)307兩個材料中基因表達差異；3.篩選出差異表達基因，并進行功能注釋和通路分析。
科學性、先進性及獨特之處
- 本作品選用水稻純系品種豐優(yōu)307進行高壓脅迫處理得到變異株及其后代，分析變異株后代mPing轉(zhuǎn)座激活情況，研究其是否可保持 mPing的持續(xù)激活。選擇變異株M3代基因表達旺盛的小穗作為芯片材料進行了基因芯片分析。作品選用基因芯片技術，在全基因組范圍檢測了mPing發(fā)生激活的變異株后代基因表達變化情況，從基因表達水平上探究水稻栽培品種豐優(yōu)307后代對于高壓脅迫的記憶。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 水稻是重要的糧食作物，通過各種脅迫手段篩選優(yōu)質(zhì)的水稻品種，一直是水稻育種的重要手段。而轉(zhuǎn)座子作為水稻基因組中重要的組成部分，其對于水稻基因組組成進化和基因表達調(diào)控等都具有重要意義。所以，本研究從轉(zhuǎn)座子發(fā)生激活的個體著手，檢測脅迫條件下水稻后代基因表達水平，分析高壓脅迫對水稻后代的影響。進而探究植物在應對環(huán)境脅迫的條件下，其后代是否能夠留有記憶。希望能夠為水稻遺傳育種提供相關理論基礎。
學術論文摘要
- 高壓處理獲得mPing轉(zhuǎn)座激活的變異株后代，對變異株后代進行 mPing轉(zhuǎn)座激活頻率分析，發(fā)現(xiàn)mPing在后代中持續(xù)激活。為進一步檢測高壓脅迫對后代基因表達的持續(xù)影響，利用Affymetrix基因芯片技術，檢測M3代全基因組范圍基因表達變化情況，比較變異株 mPing持續(xù)激活后代與未經(jīng)高壓處理的群體基因表達差異。發(fā)現(xiàn)變異株后代發(fā)生了明顯的基因表達變化，其中表達上調(diào)的探針有458個，表達下調(diào)的探針有212個；通過基因功能注釋，這些差異表達基因包含在細胞組分、生物學功能和分子機制等方面；通過代謝通路分析，表達改變的基因主要參與調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、谷氨酸代謝、類苯基甲烷合成等途徑。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座子En/Spm-like家族和反轉(zhuǎn)座子及某些與脅迫相關的轉(zhuǎn)錄因子基因表達改變。通過對高壓脅迫產(chǎn)生的轉(zhuǎn)座子mPing持續(xù)激活的變異株后代基因表達改變分析，探討變異株后代對高壓脅迫的記憶，為水稻脅迫育種提供相關理論基礎。
獲獎情況
- 本項目獲某校校級科研立項優(yōu)秀獎，現(xiàn)該作品正在進一步完善中，預計將發(fā)表SCI 1-2篇。
鑒定結(jié)果
- 某校校級科研立項優(yōu)秀獎，通過鑒定。
參考文獻
- 1 Madlung A，Comai L．The effect of stress on genome regulation and tructure[J]．Ann Botany，2004，94：48I-495. 2 Jiang N， Bao Z， Zhang， X， Hirochika H， Eddy S R， McCouch S R， Wessler S R. An active DNA transposon family in rice[J]. Nature，2003，421， 163-167.
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)過自然選擇和人工育種，水稻品種大量豐富，稻米品質(zhì)有了很大提高。近年來，利用各種脅迫手段篩選優(yōu)質(zhì)的水稻品種，是水稻育種的重要方式之一。隨著分子生物學技術蓬勃發(fā)展，相關分子水平的研究迅速展開。 高壓是一種可影響多種細胞活動的熱物理學作用。已有研究證明，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，DNA和蛋白質(zhì)的相互作用和基因表達都可能受到其影響。然而高壓這種誘變手段應用于作物的遺傳與表觀遺傳學的研究目前還是空白。表觀遺傳學是指不需要DNA序列改變而引起的基因表達的可遺傳改變，主要通過DNA甲基化、轉(zhuǎn)座子跳躍、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和RNA介導的基因沉默等機制來調(diào)控植物的生長發(fā)育。因此，探究高壓脅迫能否引起水稻變異株后代轉(zhuǎn)座子mPing持續(xù)激活和其在后代基因表達中的影響，具有很大的研究價值。 另外，隨著水稻基因組研究的開展，特別是2004年水稻粳稻品種日本晴 ( Nipponbare )全基因組測序的完成，為應用基因芯片這一高通量分析手段從全基因組范圍內(nèi)研究基因表達變化提供了重要的技術基礎?；蛐酒ㄟ^將大量cDNA片段(靶基因)或寡核苷酸序列固定或原位合成在支持物上，與標記的樣品分子進行雜交，可以檢測樣品中數(shù)萬個基因的表達量。目前，基因芯片技術因快速、準確、高通量檢測等特點，已廣泛運用于生物學的各個領域。然而，對于高壓脅迫誘導的水稻轉(zhuǎn)座子mPing激活變異株的基因表達差異仍有待研究。 高壓脅迫引起的表觀遺傳變異是否可持續(xù)遺傳給后代？分子機制又如何？變異株后代與未經(jīng)高壓處理的對照組相比，其基因表達水平存在哪些差異？哪些基因參與了差異表達的調(diào)控？本作品通過mPing轉(zhuǎn)座激活分析，探究高壓脅迫引起的mPing轉(zhuǎn)座激活的變異株后代是否可保持mPing的持續(xù)激活。同時，利用 Affymetrix基因芯片技術從基因表達水平上研究變異株后代基因表達水平的變化，尋找高壓脅迫在水稻變異株后代中的影響?；驔Q定生物性狀，本研究結(jié)果為作物脅迫育種提供了新的理論依據(jù)，對水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種具有重要的理論意義和應用價值。
