重离子辐射诱发水稻生物学剂量效应机制研究

发布时间：2020-05-27 17:45

【摘要】：高剂量辐射引起的生物学损伤在表型上随剂量增加而呈现剂量依赖性增加,而低剂量辐射没有这种剂量依赖性规律,推测高低剂量辐射诱发生物学效应可能是启动了不同的抗逆调控机制。大量研究已证实,高低剂量辐射都会诱发表观遗传学的变化,反映了表观遗传学变化可能是参与抗胁迫的重要机制,但这些变化与剂量生物学效应的关系仍然不清楚。因此,本文从表观遗传学调控机制的角度入手,系统地比较高低剂量辐射诱导水稻基因组甲基化整体变化特征,及其功能基因组表达及蛋白质变化的规律,特别是编码转录因子、转座子和甲基化转移酶的DNA甲基化变化与对应的基因表达变化特征,对于认识不同剂量诱发生物学效应的分子机制非常关键。本论文首先通过0,0.01,0.02,0.1,0.2,1,2,5和20 Gy(能量为165 MeV/u,LET为30 keV/μm,剂量率为0.5 Gy/min)辐射处理水稻干种子,应用植物生长性状分析、双向电泳和DNA甲基化多态性检测技术,对每个处理组表型和分蘖期叶片蛋白质表达模式与基因组甲基化变化,进行覆盖高低剂量范围的不同剂量处理的特征分析。在此基础上,选取低剂量和高剂量代表组,进一步利用高通量测序技术分析辐射处理后三叶期,水稻植株的基因组甲基化、功能基因组、蛋白质组变化的特征,比较植物不同发育阶段的动态变化规律。同时利用生物信息学分析手段解析了基因组甲基化变化与甲基化转移酶表达调控变化,转录因子和转座子编码基因的甲基化变化与对应关联功能基因的变化,及影响能量代谢和抗逆胁迫相关功能基因及其蛋白质变化特征,在高低剂量处理组的区别,揭示高低剂量辐射诱导胁迫水稻干种子,分别在三叶期和分蘖期发育阶段,由基因组甲基化变化参与抗逆胁迫调控的规律和途径。具体获得了如下几方面的结果:(1)高低剂量重离子辐射水稻干种子后发育到分蘖期,叶片蛋白质表达谱主成分分析表明,仍能以1-2 Gy为高低剂量的分界点,表现了低剂量辐射组蛋白质表达与对照组更接近,而高剂量辐射组蛋白质表达与对照组差异较大。从发生DNA甲基化改变的基因和差异表达蛋白质的功能分析表明,在高低剂量都影响代谢水平相关的功能分子基础上,高剂量诱导了水稻蛋白质定位,转运及胁迫应答过程的变化;(2)高低剂量处理水稻干种子诱导的DNA甲基化变化分析表明,三叶期表现为无论高低剂量重离子辐射都诱导了 CG和CHH位点去甲基化变化多于甲基化变化,但发育到分蘖期,在高低剂量处理组CHH位点仍然保持去甲基化变化多于甲基化变化,但低剂量处理组诱导CG位点发生甲基化变化多于去甲基化变化的动态改变,提示高低剂量重离子辐射水稻种子诱发的基因组甲基化水平的改变,伴随着发育发生了动态变化的是其基因组CG位点上甲基化水平,低剂量处理组相对高剂量处理组,能够在分蘖期时就发生恢复性的变化;(3)高低剂量重离子辐射引起功能基因表达谱的变化分析表明,由RdDM介导基因组甲基化,参与将双链RNA切割成24ntsiRNA的DCL表达下调,同时,负责与RNA-RNA或RNA-DNA交互作用的AGO3表达下调;参与CG位点从头甲基化及维持CG位点甲基化的MET1上调表达,而参与维持非CG位点甲基化的CMT3下调表达,反映了重离子辐射诱发的三叶期水稻DNA甲基化水平下降可能与这些甲基化酶多数下调表达有关;(4)高低剂量辐射处理水稻种子发育至三叶期时,水稻转录因子表达存在不同,低剂量与高剂量处理组相比以下调为主。分析表明,C2C2(Zn)DOF zinc finger family,C3H zinc finger family,MYB-related,NAC domain,AtSR,Aux/IAA,GeBP like及SET-domain8类转录因子家族只在低剂量辐射组发生表达改变,而TCP和CCAAT box binding factor family类转录因子家族只在高剂量辐射组发生表达改变。这些改变表现为低剂量相对高剂量主要抑制了转录因子对应的能量代谢相关的基因的表达,而高剂量组通过提升脂类代谢相关的转录因子表达参与抗胁迫,说明高低剂量重离子辐射可能通过启动不同的转录因子调节靶基因的表达变化,调控不同的应答途径响应辐射胁迫;(5)高低剂量辐射处理水稻种子发育至三叶期时,DNA去甲基化的转座子的邻近基因的功能分析表明,低剂量辐射组中,DNA类型转座子邻近的下调表达基因参与蛋白磷酸化,LTR类型转座子邻近的下调表达基因参与氧化还原反应及胁迫应答等相关功能;而高剂量辐射组中,LTR类型转座子邻近的下调表达基因参与蛋白磷酸化、氧化还原反应及转录调控等相关功能,上调表达基因参与胁迫应答及转录调控等相关功能,DNA类型转座子邻近的上调表达基因参与氧化还原反应等相关功能。说明高低剂量辐射处理水稻干种子发育到三叶期通过转座子活跃参与了抗胁迫的调控,其中,低剂量处理组以下调为主,而高剂量处理组表现了更多的上调变化。
【图文】：

序列,信号转导途径,转录因子,甲基化

中所特有的转录因子家族［８４］。研宄发现，植物转录因子参与调控植物的生长发育逡逑和次生代谢过程，，在植物的逆境胁迫应答中也起着非常重要的作用［８５，８６］。有学者逡逑将现有转录因子为基准的非生物胁迫信号转导的调节网络图进行了绘制如图１．１逡逑所示［８４，８７，８８１随着对转录因子研宄的不断深入，该网络系统会更加完善。逡逑Ｗａｔｅｒ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ａｎｄ逦Ｌｏｗ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑Ｓｉｇｎａｌ邋ｒｅｅｅｐｔ逦＾邋Ｊ逦｜逡逑ｊ邋Ｏｓｍｏｔｉｃ邋ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ邋Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｃｈａｎｇｅ逡逑Ｓｉｇｎａｌ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎｈｏｓ５逦＾ｄａｘ／ｉ逡逑｛逦１＼邋ｉ逦＿逡逑Ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ邋ｆａｃｔＯＦ—邋？邋ＮＡＣ邋ｍｙｂ邋ｂＺ）Ｐ邋ＤＲ＾Ｂ２邋ＤＲＥＷ／ＧＢＦ逡逑｜ａ邋Ｊ邋ｂｌ逦ＺＡＴ１２逡逑Ｃｌｓ＾ｌｅｍｅｎｔ逦逦邋？邋ＮＡＣＲＳ邋ｍｙｂＲ邋ＡＢＲＥ邋ＤＲＥＯ？Ｔ逦９逡逑１逦，＼厂邋１邋了，逡逑Ｇｅｎｅ邋ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ—＊逦｜邋ｅｒｄ１邋＾ｄ２２￣￣ｒｄ２９邋ｃｏｒ６邋ｋｉｎｌ逡逑１逡逑Ｓｔｒｅｓｓ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ａｎｄ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｔｏｌｅｒａｎｃｅ逡逑图１．１非生物逆境下植物的信号转导途径逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｉｇｎａｌ邋ｐａｔｈｗａｙｓ邋ｉｎ邋ｐｌａｎｔ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅ邋ｔｏ邋ａｂｉｏｔｉｃ邋ｓｔｒｅｓｓｅｓ逡逑转录因子与ＤＮＡ甲基化之间相互影响。首先，转录因子作为一段正常的ＤＮＡ逡逑序列，其甲基化状态的变化也会引起对应的基因表达的差异，从而影响其下游靶逡逑基因的表达改变；此外

路线图,课题,重离子辐射,路线

图１．２本课题研宄路线逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｔｈｉｓ邋ｐａｐｅｒ逡逑
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511

【参考文献】