基本信息
- 项目名称：
- 高压诱导水稻转座子mPing的转座激活及全基因组范围的基因表达改变研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品选用重要农作物水稻为研究材料，通过高压处理水稻纯系品种丰优307得到变异株，检测出M3、M4代转座子mPing发生持续激活。利用基因芯片技术，对M3代中mPing跳出频率较高的植株做基因表达分析，发现了差异表达基因，对这些差异表达基因进行功能注释和通路分析，找到了与物质代谢、刺激应答等相关的基因，并发现与胁迫相关的转录因子。研究表明高压胁迫可通过改变基因表达改变作物性状，为作物育种奠定基础。
- 详细介绍：
- 众所周知，水稻是世界主要粮食作物之一，世界上近一半人口，包括几乎整个东亚和东南亚的人口，都以稻米为食，其栽培历史已有6000～7000年。经过自然选择和人工育种，水稻品种大量丰富，稻米品质有了很大提高。近年来，利用各种胁迫手段筛选优质的水稻品种，是水稻育种的重要方式之一。 高压是一种可影响多种细胞活动的热物理学作用。已有研究证明，染色质结构，DNA和蛋白质的相互作用和基因表达都可能受到其影响。然而高压这种诱变手段应用于作物的遗传与表观遗传学的研究目前还是空白，这激起我们小组的极大兴趣。 表观遗传学(epigenetics)是指不需要DNA序列改变而引起的基因表达的可遗传改变，主要通过DNA甲基化、转座子跳跃、组蛋白修饰、染色质重塑和RNA介导的基因沉默等机制来调控植物的生长发育。其中，转座子跳跃介导的基因表达的可遗传改变的研究，正在不断深入。2003年Nature杂志同时发表了三篇论文报道第一个活跃的水稻内源MITE类转座子，mPing。其中的一篇论文报道了γ射线处理水稻种子，发现诱导细长颖片（slg）的等位基因变异的原因不是射线的直接诱变而是辐射后引起了本来沉默转座子mPing的激活和插入。 那么高压胁迫是否可导致水稻发生mPing转座激活，mPing转座激活的水稻后代是否可保持mPing持续激活状态，其分子机理如何？mPing转座激活的水稻后代与未经高压处理的对照组相比，其基因表达水平存在哪些差异？哪些基因参与了差异表达的调控？这些问题的提出与解决，使得本研究工作具有重要意义。 随着水稻基因组研究的开展，特别是2004年水稻粳稻品种日本晴( Nipponbare )全基因组测序的完成，为应用基因芯片这一高通量分析手段从全基因组范围内研究基因表达变化提供了重要的技术基础。基因芯片通过将大量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，与标记的样品分子进行杂交，可以检测样品中数万个基因的表达量。目前，基因芯片技术因快速、准确、高通量检测等特点，已广泛运用于生物学的各个领域。然而，对于高压胁迫诱导的水稻转座子mPing激活变异株的基因表达差异仍有待研究。 本作品采用改良的CTAB法提取水稻叶片基因组DNA。根据在日本晴中已知的mPing插入位点，设计并筛选出27对在对照组丰优307中可扩增出mPing完整序列的引物，用这27对引物对高压处理变异株M3、M4代代进行特异位点PCR扩增，分析其mPing转座激活情况，发现mPing在变异株后代中持续激活。选取后代中mPing激活频率较高的12-14进行基因芯片检测，比较变异株mPing持续激活后代与未经高压处理的群体基因表达差异，发现变异株后代发生了明显的基因表达变化，其中表达上调的探针有212个，表达下调的探针有458个；通过基因功能注释，这些差异表达基因包含在细胞组分、生物学功能和分子机制等方面；通过代谢通路分析，表达改变的基因主要参与调节昼夜节律、谷氨酸代谢、类苯基甲烷合成等途径。此外，研究中还发现了转座子En/Spm-like家族和反转座子及某些与胁迫相关的转录因子基因表达改变。 上述研究结果表明，高压胁迫导致了变异株后代mPing持续激活，并发生基因表达差异。由于胁迫可通过改变基因表达情况进而改变生物性状，从而为作物育种提供重要的参考价值。
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撰写目的和基本思路
- 通过高压处理得到变异株及其后代，分析变异株后代mPing转座激活情况，研究变异株后代是否可保持mPing的持续激活。对突变体 M3代做基因芯片，分析得到基因表达变化规律，为水稻遗传育种提供理论依据。思路：1.检测高压处理变异株后代mPing转座激活情况；2.利用Affymetrix基因芯片技术分析12-14和丰优307两个材料中基因表达差异；3.筛选出差异表达基因，并进行功能注释和通路分析。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品选用水稻纯系品种丰优307进行高压胁迫处理得到变异株及其后代，分析变异株后代mPing转座激活情况，研究其是否可保持 mPing的持续激活。选择变异株M3代基因表达旺盛的小穗作为芯片材料进行了基因芯片分析。作品选用基因芯片技术，在全基因组范围检测了mPing发生激活的变异株后代基因表达变化情况，从基因表达水平上探究水稻栽培品种丰优307后代对于高压胁迫的记忆。
应用价值和现实意义
- 水稻是重要的粮食作物，通过各种胁迫手段筛选优质的水稻品种，一直是水稻育种的重要手段。而转座子作为水稻基因组中重要的组成部分，其对于水稻基因组组成进化和基因表达调控等都具有重要意义。所以，本研究从转座子发生激活的个体着手，检测胁迫条件下水稻后代基因表达水平，分析高压胁迫对水稻后代的影响。进而探究植物在应对环境胁迫的条件下，其后代是否能够留有记忆。希望能够为水稻遗传育种提供相关理论基础。
学术论文摘要
- 高压处理获得mPing转座激活的变异株后代，对变异株后代进行 mPing转座激活频率分析，发现mPing在后代中持续激活。为进一步检测高压胁迫对后代基因表达的持续影响，利用Affymetrix基因芯片技术，检测M3代全基因组范围基因表达变化情况，比较变异株 mPing持续激活后代与未经高压处理的群体基因表达差异。发现变异株后代发生了明显的基因表达变化，其中表达上调的探针有458个，表达下调的探针有212个；通过基因功能注释，这些差异表达基因包含在细胞组分、生物学功能和分子机制等方面；通过代谢通路分析，表达改变的基因主要参与调节昼夜节律、谷氨酸代谢、类苯基甲烷合成等途径。此外，研究中还发现了转座子En/Spm-like家族和反转座子及某些与胁迫相关的转录因子基因表达改变。通过对高压胁迫产生的转座子mPing持续激活的变异株后代基因表达改变分析，探讨变异株后代对高压胁迫的记忆，为水稻胁迫育种提供相关理论基础。
获奖情况
- 本项目获某校校级科研立项优秀奖，现该作品正在进一步完善中，预计将发表SCI 1-2篇。
鉴定结果
- 某校校级科研立项优秀奖，通过鉴定。
参考文献
- 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.
同类课题研究水平概述
- 本项目选择水稻作为实验材料，水稻是世界主要粮食作物之一，栽培历史已有6000～7000年。经过自然选择和人工育种，水稻品种大量丰富，稻米品质有了很大提高。近年来，利用各种胁迫手段筛选优质的水稻品种，是水稻育种的重要方式之一。随着分子生物学技术蓬勃发展，相关分子水平的研究迅速展开。 高压是一种可影响多种细胞活动的热物理学作用。已有研究证明，染色质结构，DNA和蛋白质的相互作用和基因表达都可能受到其影响。然而高压这种诱变手段应用于作物的遗传与表观遗传学的研究目前还是空白。表观遗传学是指不需要DNA序列改变而引起的基因表达的可遗传改变，主要通过DNA甲基化、转座子跳跃、组蛋白修饰、染色质重塑和RNA介导的基因沉默等机制来调控植物的生长发育。因此，探究高压胁迫能否引起水稻变异株后代转座子mPing持续激活和其在后代基因表达中的影响，具有很大的研究价值。 另外，随着水稻基因组研究的开展，特别是2004年水稻粳稻品种日本晴 ( Nipponbare )全基因组测序的完成，为应用基因芯片这一高通量分析手段从全基因组范围内研究基因表达变化提供了重要的技术基础。基因芯片通过将大量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，与标记的样品分子进行杂交，可以检测样品中数万个基因的表达量。目前，基因芯片技术因快速、准确、高通量检测等特点，已广泛运用于生物学的各个领域。然而，对于高压胁迫诱导的水稻转座子mPing激活变异株的基因表达差异仍有待研究。 高压胁迫引起的表观遗传变异是否可持续遗传给后代？分子机制又如何？变异株后代与未经高压处理的对照组相比，其基因表达水平存在哪些差异？哪些基因参与了差异表达的调控？本作品通过mPing转座激活分析，探究高压胁迫引起的mPing转座激活的变异株后代是否可保持mPing的持续激活。同时，利用 Affymetrix基因芯片技术从基因表达水平上研究变异株后代基因表达水平的变化，寻找高压胁迫在水稻变异株后代中的影响。基因决定生物性状，本研究结果为作物胁迫育种提供了新的理论依据，对水稻高产优质育种具有重要的理论意义和应用价值。
