不同劑量碳重離子誘發(fā)水稻生物學(xué)效應(yīng)特征研究.pdf

1、大量的空間搭載研究表明,水稻是研究空間輻射生物學(xué)效應(yīng)的一種較好的模式生物材料。低劑量高能重離子地面模擬空間輻射輻照水稻種子,往往能夠誘導(dǎo)水稻當(dāng)代植株的生長(zhǎng)刺激效應(yīng),空間搭載有些水稻種子同樣也出現(xiàn)這種刺激效應(yīng)。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)高能低劑量輻射生物學(xué)效應(yīng)的劑量范圍和作用機(jī)制,本論文選用不同劑量(0、0.02、0.1、0.2、1、2、5、10、15和20Gy)的12C重離子輻射(LET=27.3keV/μm)輻照水稻萌發(fā)種子,分別研究了輻射后水稻表

2、型、細(xì)胞生物學(xué)、基因組及基因組甲基化多態(tài)性、miRNAs及其靶基因表達(dá)在不同劑量下的變化規(guī)律,試圖從多個(gè)層面解釋這種高低劑量輻射造成的生長(zhǎng)刺激與抑制效應(yīng)的機(jī)制。
　　本論文研究發(fā)現(xiàn),受到不同劑量輻射的水稻表型,在不同的劑量范圍表現(xiàn)出明顯不同的生物學(xué)效應(yīng),出現(xiàn)了以2Gy輻射劑量為分界點(diǎn)的一些表型變化特征。當(dāng)輻射劑量低于2Gy時(shí),各輻射組水稻大約有10％左右的死亡率,但不表現(xiàn)出明顯的劑量依賴關(guān)系;大于2Gy劑量輻射組水稻隨劑量的增加,

3、死亡率明顯增加,并且發(fā)現(xiàn)20Gy為半致死劑量(幼苗死亡率50.29±1.01%)。水稻三葉期株高的數(shù)據(jù)同樣顯示,當(dāng)輻射劑量低于2Gy時(shí),各輻射組株高平均值均高于對(duì)照組,表現(xiàn)出生長(zhǎng)刺激效應(yīng);而當(dāng)劑量高于2Gy時(shí),各輻射組株高均低于對(duì)照組,出現(xiàn)了生長(zhǎng)抑制。不論是生長(zhǎng)抑制還是刺激,相對(duì)對(duì)照組差異都極其顯著(P<0.01),這種高低劑量效應(yīng)的分界點(diǎn)同樣為2Gy。連續(xù)觀察分蘗期、孕穗期、抽穗期、揚(yáng)花期、灌漿期到成熟期的株高,發(fā)現(xiàn)株高抑制性狀組在分

4、蘗期卻出現(xiàn)了倒轉(zhuǎn),到成熟期(輻射后120天)時(shí)與低劑量的株高刺激組間差異消除。從發(fā)育角度我們也觀察到輻射組較對(duì)照組均出現(xiàn)抽穗率下降和抽穗期推遲的現(xiàn)象,但高低劑量間差異不大。
　　為進(jìn)一步分析高低劑量對(duì)水稻成活率和株高變化差異的生物學(xué)基礎(chǔ),本論文采用透射電子顯微鏡技術(shù),觀察水稻幼苗輻照24小時(shí)后,不同劑量組的莖尖分生組織葉肉細(xì)胞內(nèi)葉綠體、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核糖體及細(xì)胞核的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)受到小于2Gy輻射后,各細(xì)胞器均未出現(xiàn)明顯生理

5、損傷,葉綠體數(shù)目沒(méi)有明顯變化,但線粒體數(shù)量明顯增多,并聚集在葉綠體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)附近;受到大于2Gy劑量輻射后,葉肉細(xì)胞內(nèi)葉綠體發(fā)生明顯損傷,并造成線粒體腫脹,出現(xiàn)嵴模糊,并伴隨基質(zhì)空泡,葉綠體和線粒體損傷率顯著增加(P<0.01)。這些現(xiàn)象說(shuō)明,細(xì)胞生物學(xué)改變可能是造成以2Gy為界限的刺激和抑制效應(yīng)的重要原因之一。
　　為從基因組水平上分析高低劑量輻射造成的刺激效應(yīng)和抑制效應(yīng)的差異,本論文進(jìn)一步分析了受到0.02、0.2、1、2和20

6、Gy劑量重離子輻射處理每組5個(gè)單株水稻基因組及基因組DNA甲基化多態(tài)性變化范圍。研究發(fā)現(xiàn),與對(duì)照組相比,各劑量組水稻基因組多態(tài)性和基因組CCGG位點(diǎn)甲基化多態(tài)性都產(chǎn)生了的增高,但高低劑量的變化趨勢(shì)沒(méi)有明顯的差異。
　　為進(jìn)一步探討基因調(diào)控機(jī)制尤其是miRNA是否參與輻射誘水稻刺激和抑制效應(yīng)。本論文利用μparaflo芯片(254個(gè)特異探針,V13.0版)和qRT-PCR的方法,發(fā)現(xiàn)miR156a和miR164a/c/d的表達(dá)被特異

7、誘導(dǎo)上調(diào),其中miR156a和miR164a/c/d分別對(duì)應(yīng)的靶基因SPL3/7/9/11和NAC1/2,相對(duì)于對(duì)照組表達(dá)量均顯著下調(diào)(P<0.01)。分析這兩個(gè)被特異誘導(dǎo)的miRNA在0.02,0.2,1,2、10和20Gy劑量處理組的表達(dá)情況,發(fā)現(xiàn)在低于1Gy輻射組,它們的表達(dá)量相對(duì)于對(duì)照組沒(méi)有明顯變化,而大于1Gy處理組,出現(xiàn)差異顯著或極顯著上升。由于miR164可以通過(guò)剪切NAC1的mRNA,使得控制次生根發(fā)育的生長(zhǎng)素信號(hào)通路下

8、調(diào),從而影響了死亡率和株高。本研究發(fā)現(xiàn)的當(dāng)大于2Gy輻射處理,出現(xiàn)根長(zhǎng)發(fā)育不良(本實(shí)驗(yàn)室其他人已經(jīng)證實(shí))和株高顯著降低可能是受到miR164基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)所致。另一方面,已有研究證實(shí)高表達(dá)miR156與水稻和擬南芥開花延遲有關(guān),基于本研究發(fā)現(xiàn)受到較高劑量輻射水稻開花周期延遲一周的數(shù)據(jù),水稻抽穗期的延遲與miR156高表達(dá)相對(duì)應(yīng)。這些研究證實(shí)了miRNA調(diào)控機(jī)制參與了水稻輻射生物學(xué)效應(yīng)過(guò)程。
　　綜上所述,本文通過(guò)研究高低劑量重離子輻