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本作品選用重要農(nóng)作物水稻為研究材料，通過(guò)高壓處理水稻純系品種豐優(yōu)307得到變異株，檢測(cè)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(shù)，對(duì)M3代中mPing跳出頻率較高的植株做基因表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)了差異表達(dá)基因，對(duì)這些差異表達(dá)基因進(jìn)行功能注釋和通路分析，找到了與物質(zhì)代謝、刺激應(yīng)答等相關(guān)的基因，并發(fā)現(xiàn)與脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。研究表明高壓脅迫可通過(guò)改變基因表達(dá)改變作物性狀，為作物育種奠定基礎(chǔ)。

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(gè)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(guò)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(lái)，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(xì)胞活動(dòng)的熱物理學(xué)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(dá)都可能受到其影響。然而高壓這種誘變手段應(yīng)用于作物的遺傳與表觀遺傳學(xué)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(xué)(epigenetics)是指不需要DNA序列改變而引起的基因表達(dá)的可遺傳改變，主要通過(guò)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(dǎo)的基因沉默等機(jī)制來(lái)調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育。其中，轉(zhuǎn)座子跳躍介導(dǎo)的基因表達(dá)的可遺傳改變的研究，正在不斷深入。2003年Nature雜志同時(shí)發(fā)表了三篇論文報(bào)道第一個(gè)活躍的水稻內(nèi)源MITE類(lèi)轉(zhuǎn)座子，mPing。其中的一篇論文報(bào)道了γ射線處理水稻種子，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)細(xì)長(zhǎng)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(lái)沉默轉(zhuǎn)座子mPing的激活和插入。
那么高壓脅迫是否可導(dǎo)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(jī)理如何？mPing轉(zhuǎn)座激活的水稻后代與未經(jīng)高壓處理的對(duì)照組相比，其基因表達(dá)水平存在哪些差異？哪些基因參與了差異表達(dá)的調(diào)控？這些問(wèn)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(kāi)展，特別是2004年水稻粳稻品種日本晴( Nipponbare )全基因組測(cè)序的完成，為應(yīng)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(dá)變化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)?；蛐酒ㄟ^(guò)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(biāo)記的樣品分子進(jìn)行雜交，可以檢測(cè)樣品中數(shù)萬(wàn)個(gè)基因的表達(dá)量。目前，基因芯片技術(shù)因快速、準(zhǔn)確、高通量檢測(cè)等特點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于生物學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。然而，對(duì)于高壓脅迫誘導(dǎo)的水稻轉(zhuǎn)座子mPing激活變異株的基因表達(dá)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(diǎn)，設(shè)計(jì)并篩選出27對(duì)在對(duì)照組豐優(yōu)307中可擴(kuò)增出mPing完整序列的引物，用這27對(duì)引物對(duì)高壓處理變異株M3、M4代代進(jìn)行特異位點(diǎn)PCR擴(kuò)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(jìn)行基因芯片檢測(cè)，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(dá)差異，發(fā)現(xiàn)變異株后代發(fā)生了明顯的基因表達(dá)變化，其中表達(dá)上調(diào)的探針有212個(gè)，表達(dá)下調(diào)的探針有458個(gè)；通過(guò)基因功能注釋，這些差異表達(dá)基因包含在細(xì)胞組分、生物學(xué)功能和分子機(jī)制等方面；通過(guò)代謝通路分析，表達(dá)改變的基因主要參與調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律、谷氨酸代謝、類(lèi)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(guān)的轉(zhuǎn)錄因子基因表達(dá)改變。
上述研究結(jié)果表明，高壓脅迫導(dǎo)致了變異株后代mPing持續(xù)激活，并發(fā)生基因表達(dá)差異。由于脅迫可通過(guò)改變基因表達(dá)情況進(jìn)而改變生物性狀，從而為作物育種提供重要的參考價(jià)值。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎(jiǎng)
本項(xiàng)目獲某校校級(jí)科研立項(xiàng)優(yōu)秀獎(jiǎng)，現(xiàn)該作品正在進(jìn)一步完善中，預(yù)計(jì)將發(fā)表SCI 1-2篇。