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激光辐射诱导水稻发生可遗传DNA甲基化变异和转座子激活及其可能机制研究

李思圆  
【摘要】:激光是种与自然光不同的辐射光。通过特定的激光照射农作物,能使其产生新的遗传变异,对其中优良变异后代进行定向选择和培育,即可育成符合育种目标的新品种。激光诱变育种可以提高种子的发芽势和发芽率,促进生长发育,提高抗病能力。 DNA胞嘧啶甲基化作为种重要的表观遗传修饰,广泛存在于动植物基因组中,并在维持基因组稳定性、调节基因表达等方面起着重要作用。内源DNA的甲基化是真核生物的表观遗传调控的重要组成部分,研究特定条件下DNA甲基化的变异模式有助于我们全面的理解DNA甲基化的表观调控生物学功能。大量研究表明,DNA甲基化容易因细胞内外环境条件的变化而发生改变。为此,我们提出的问题是:激光辐射是否可能导致DNA甲基化的改变并进而导致基因表达的变化而产生表型变异?本文用Nd3+YAG固体脉冲激光器辐射处理水稻基因型吉农18号糙米种胚,分析激光处理可能导致的表观遗传变异DNA甲基化变化和基因表达的变化。主要的结果为:发芽植株在田间出现了抽穗期推迟、矮化等表型变异。 MSAP分析表明激光处理当代植株发生了全基因组范围的去甲基化变异。改变的甲基化模式也可以通过减数分裂传递给后代,并且,在M1代中又消失了M0代具有的种变异模式,暗示具有跨代基因组不稳定性的特点。 为了探究上述表观遗传变异的原因,运用实时定量PCR技术,对选定的维持染色质表观修饰状态基因的表达进行了分析,结果显示激光辐射不仅可以导致定频率的DNA甲基化模式的变化,也可以导致维持染色质结构和状态的表观修饰基因的表达发生可遗传的改变,如引起甲基转移酶、糖苷酶以及siRNA产生途径重要酶的表达变化,并且通过相关性分析证实这些变化与甲基化变化相关.以上结果暗示着这些与维持染色质结构相关的基因表达的变异是激光辐射处理所导致的表观遗传不稳定性的个诱因。 激光处理引起了水稻突变体M0及M1代转座子的激活,其中包括MITE类转座子mPing及其转座酶供体Pong. 亚硫酸盐测序结果进步证实了甲基化模式的遗传与变异,而且揭示反转座子Tos17的表达与甲基化程度密切相关。 根据以上几方面的研究结果,认为激光辐射处理在分子水平上,除诱导表观遗传变异外,还以高频率诱导水稻基因组内源转座子的转座激活以及反转座子甲基化变异,表观修饰基因表达的改变。因此,本文研究结果为作物激光诱变育种提供了新的理论依据。


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