核辐射诱发植物基因组变异的特征与定向选择技术研究

Mutation techniques has played a great role in breeding new crop varieties and is one of the most important fields of applications of nuclear techniques in agriculture. However, no research has been performed at the genome level and scale in this field, and little is known of the fundamentals regarding induced variations, e.g. characteristics, chromosome distribution,frequency, etc,induced by different nuclear radiations. In the present study, the mutations induced by gamma rays (low LET) and high engery C ion beam (high LET) radiations will be systematically investigated at the genome level using genomic techniques (e.g. genome resequencing) and molecular means (mutation identification) in two representative plant species - rice (monocot) and arabidopsis (dicot); the characteristics of mutations (single point mutation, insertion/deletion, chromosome translocation, mutation hotspots, etc.)and the dosage effect of mutation induction will be clarified; target-select mutation screening methods will be developed using for example next generation sequencing technology based on the findings(Seq-TILLING). The findings of the present study will advance the understanding of the mechanism of intereaction betweeen irradiation and genetic constitution; new high throughput techniques for target-select mutation screening will be established, which is expected to significantly increase the capacity, efficiency and efficacy of radiation crop breeding.

诱发突变技术在作物新品种培育中已发挥巨大作用，是核技术农业应用的重要领域。但是，迄今尚未在基因组水平上开展研究，对不同射线诱发的基因组变异的特征、变异位点的染色体分布、频率等基本规律的认识基本空白。本研究将选用水稻（单子叶）、拟南芥（双子叶）为代表性植物，采用基因组重测序等基因组学和分子遗传学技术，对钴－60伽玛射线（低LET）和高能碳离子束（高LET）辐射诱导的变异开展研究，确定两类射线诱发的基因组变异的特征（点突变、插入/缺少突变、染色体易位；突变热点等）和突变的剂量效应（剂量与突变频率之关系），并在此基础上设计定向选择诱发变异的最佳技术方案，建立起基于新一代DNA测序技术的突变定向筛选技术（Seq-TILLING）。研究结果将极大地增进对两类核辐射与遗传物质之间作用机制的认识，建立起高效、定向选择变异的技术体系，从而大幅提升利用核辐射改良作物品种的水平、效率和针对性。

为在分子和基因组水平上认识辐射诱发植物遗传变异的特征，本研究采用基因组重测序等基因组学和分子遗传学技术，分析伽玛射线和高能离子束对水稻和拟南芥诱发遗传变异的主要特征，建立起了突变基因快速筛选和鉴定技术体系并克隆到两个基因，创制了突变群体。研究成果将对农作物特别是水稻诱变育种和突变基因克隆起到重要推动作用。主要结果和发现如下：.1、在全基因组范围、单核苷酸水平上揭示了γ射线诱发可遗传变异的频率与特征及剂量效应。γ射线诱发的变异种类既有单碱基替代（SBS）突变，也有插入缺失突变（Indels）和结构变异；以碱基为单位，水稻M2代植株中的平均突变频率约为7.5-9.8 × 10-6；SBS变异频率约为Indel突变的4倍；结构变异频率比Indel更低；SBS和Indel突变随机的分布在12条染色体上，无明显的突变热点，在研究的剂量范围（164 -384 Gy）内，突变频率无剂量效应。.2、完成了C 、Ne和Ar三种高能离子束辐射水稻的辐射生物学效应分析，在全基因组水平初步揭示了三种离子束诱发水稻变异的分子特征，包括SBS和Indel突变，随机分布在水稻的12条染色体上。.3、明确了基于新一代测序技术（NGS，Seq-TILLING）和高分辨熔解曲线（HRM，HRM-TILLING）技术的高通量筛选Indel突变的效果和影响因素，建立了水稻HRM-TILLING技术体系并利用该体系成功筛选到2个突变体。.4、完成了碳离子束、氩离子束和伽马射线辐射诱变拟南芥的比较研究，并利用基因组重测序等技术分析了诱发突变特征，发现存在包括单碱基突变、小片段插入/缺失突变等变异类型。.5. 通过基因图位克隆技术在农作物里首次鉴定出伽马射线诱发产生的一个稳定遗传的表观突变基因；利用基因池测序法快速鉴定出了一个控制翠绿叶突变的突变位点。.6. 建立了2个M2（M3）水稻/拟南芥突变体库。.本项研究虽然在基因组水平上揭示了伽玛射线和高能离子束诱发突变的频率和特征，但是受到测序技术和生物信息学分析方法本身的局限，对两种辐射引起的结构变异未能深入分析，有待进一步研究。