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《哈尔滨工业大学》 2011年
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空间诱导水稻蛋白变化特征及空间辐射地基模拟诱因分析

王巍  
【摘要】:为了探索空间环境的生物学效应机制,本文以模式植物水稻为材料,经过多次空间飞行,考察了不同水稻品系当代及第2代植株蛋白变化特征;并通过地基模拟重离子辐射基于水稻的蛋白表达谱分析了空间的辐射诱因;利用多蘖矮突变体的蛋白表达差异分析对空间诱导水稻分蘖突变的机制进行了探索。 利用二维荧光差异显示双向电泳(2-D DIGE)技术获取了2次空间飞行当代、第2代和地基模拟辐射后多个水稻品系以及突变体材料分蘖期的99张双向电泳蛋白表达图谱,建立了包含所有品系共同表达的蛋白点以及品系特异表达蛋白点合集的群体,形成了标准图谱;以该标准图谱为统一范围使不同状态下的大量蛋白表达数据存在定性和定量上的可比性。串联质谱鉴定出204个差异表达蛋白,参与的生物功能涵盖代谢、调节、刺激应答、细胞活动和生殖。 为分析空间飞行当代水稻蛋白变化特征及在子代的遗传特性,利用聚类、主成分分析等方法归纳并比较了不同空间飞行当代及第2代材料与地面对照之间的蛋白表达差异。发现卫星搭载与航天飞船的空间飞行能够使当代水稻叶片蛋白表达特征发生改变,但在不同类型的空间飞行中存在变化程度的区别:飞行时间越长,受空间辐射环境影响越大的材料,蛋白表达谱的差异就越大。从差异蛋白分子生物功能分布上分析了空间环境对水稻细胞生理生化功能的影响,空间飞行当代引起易变蛋白的功能主要包括核酸代谢、光反应、蛋白降解、抗真菌、抗胁迫和氨基酸代谢。空间飞行环境对水稻当代蛋白表达特征的改变在相应的第2代植株中可以发生延续和回复,回复与否以及回复的程度与水稻的品系敏感性相关。细胞壁形成、核酸代谢、蛋白降解、逆转录、氨基酸代谢、磷酸戊糖途径和抗胁迫功能的应答易在第2代回复;参与种子成熟、蛋白折叠、糖酵解、脂类合成、糖原合成和三羧酸循环的蛋白分子仅在第2代时产生应答。空间环境的生物学效应能够体现在蛋白表达层面上。 发现了一些对空间环境敏感的蛋白分子,包括核苷二磷酸激酶1、Rieske铁-硫蛋白前体、半胱氨酸蛋白酶、异黄酮还原酶相似蛋白、S-类核糖核酸酶以及参与蛋白折叠的分子伴侣,它们能够作为水稻对空间环境应答的潜在蛋白分子标志物。 空间辐射是一个非常复杂的复合高能粒子环境。为寻找空间环境的离子诱因,在地面模拟了空间2mGy剂量下不同能量的离子辐射,采用传能线密度(LET)分别为13.3keV/μm的12C离子、30keV/μm的12C离子、31keV/μm的20Ne离子、62.2keV/μm的12C离子和500keV/μm的56Fe离子对水稻种子进行处理,并与返回式卫星搭载的水稻蛋白表达模式进行比较。通过聚类、主成分分析和相关性分析后发现:LET-62.2keV/μm的12C离子辐射蛋白表达特征与空间环境最为类似。为进一步分析空间辐射环境的剂量效应,利用与空间效应相近的LET-62.2keV/μm的12C离子进行了不同累积剂量的辐射(剂量分别为2mGy、20mGy、200mGy、2000mGy),对辐射蛋白表达谱与空间材料进行比较后发现2mGy剂量的辐射效应与空间环境最为接近,证实了空间辐射的低剂量效应。通过基于蛋白表达谱的分析建立了新的空间环境辐射诱因效应评价体系。 对空间诱变多蘖矮杆突变体R955及对照植株3个营养生长期叶片总蛋白的分离及定量分析发现,能量代谢、光合作用、蛋白代谢、氮元素同化、氨基酸代谢以及胁迫应答等过程均参与了空间环境诱导的突变分蘖发育。对差异蛋白在不同时期相对表达量的K-均值聚类分析显示不同功能蛋白表现不同表达模式;二元方差分析筛选出S-类核糖核酸酶可能与水稻分蘖突变性状直接关联。相关结果为空间环境诱发水稻产生分蘖突变的机制提供了新的见解。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S511

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【参考文献】
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