重离子辐射诱变耐盐南荻的筛选及其分子机理

Heavy-ion beams are accepted as a novel and powerful mutagen because of their superior characteristics, such as relatively higher biological effectiveness, wide spectrum of mutation, higher mutation efficiency, and the lower recovery rate of DNA damages induced. Recently, heavy-ion beams have been utilized as a novel and efficient mutagen in plant breeding. In addition, the loss-of-function mutants generated by heavy-ion beam irradiation enormously faciliate plant functional genomics studies using reverse genetics means. Miscanthus lutarioriparius is a perennial rhizomatous grass endemic to China. It has been deemed as one of the most potential candidates of lignocellulosic crops in new-generation bioenergy production. Currently, soil salinity has been one of the main limiting factors for large-scale cultivation of Miscanthus lutarioriparius in marginal land in China. The present study was undertaken to generate salt-tolerant varieties of Miscanthus lutarioriparius by heavy-ion beam irradiation. The mutation effectiveness of various tissues (seed, callus induced from immature spikelet, lateral bud and rhizome bud) with different irradiation doses will be examined. In addition, we will characterize the aberrance of chromosome structures including SNPs, InDels and CNVs induced by heavy-ion irradiation at the genome level. To fulfill this goal, array-based comparative genomic hybridization (array-CGH) and high-efficiency melting curve analyses will be performed. The results obtained will provide novel insight into the molecular mechanism and biological effectiveness induced by heavy-ion irradiation, thus may lay the foundation for the breeding of new cultivars by heavy-ion irradiation as well as functional genomics studies in Miscanthus lutarioriparius.

重离子束作为一种新兴的辐射诱变源，具有生物诱变效应强、突变谱广、突变率高、DNA损伤修复率低等优点。重离子辐照已经成为植物品种改良的重要手段之一，此外，诱变的突变体也可用于基因功能的研究，成为反向遗传学的重要研究手段。南荻是我国特有的具有巨大发展潜力的纤维类芒属能源植物，土壤盐碱化是目前制约南荻在边际土地种植的重要因素之一。本研究拟以南荻为研究对象，选用不同组织（种子、愈伤组织、茎侧生芽和地下茎节芽）和不同的辐射剂量进行重离子辐照，筛选耐盐碱的突变品系，并借助微阵列比较基因组学杂交（array-CGH）和高分辨率熔解曲线（HRM）分析等手段，在基因组水平上对重离子辐射诱变引起的染色体结构变异（SNPs, InDel, CNV等）进行鉴定，对重离子辐射造成的DNA损伤方式及其诱变效应进行深入分析，将进一步丰富对重离子辐射诱变效应及其作用机理的认识，为南荻重离子辐射诱变育种和功能基因组学研究奠定基础。

重离子束作为一种新兴的辐射诱变源，具有生物诱变作用强、诱发突变谱广、突变率高、DNA损伤修复率低等优点，已经成为植物品种改良的重要手段。通过重离子辐射诱变的突变体除了直接或间接用于植物品种的改良之外，一些具有重要突变性状的突变体也可用于基因功能的研究，成为正向遗传学的重要研究手段，推动了植物功能基因组学的研究。本研究选用纤维类芒属能源植物南荻作为研究对象，选用不同组织（种子、愈伤组织和地下茎节芽）和不同的辐射剂量进行重离子辐照，计算致死率和突变率，优化辐照条件，筛选用于南荻辐照的最佳组织和辐照剂量。以盐浓度0.8% NaCl为选择压对辐照后的南荻幼苗进行初步筛选，进而在盐胁迫（1.5% NaCl）条件下进行盆栽筛选，选择农艺性状较好的耐盐诱变株在盐碱地上进行小面积品比与中试，建立了南荻的辐射诱变突变体库（1000份以上）。对筛选到的耐盐突变株的形态指标（株高、株型、生物量等）和生理生化指标进行观察和测定。进一步通过转录组学等技术对重离子辐射诱变的效应和机制进行分析，揭示重离子辐射诱变南荻的分子机制。在此基础上，从耐盐突变体中鉴定了13个耐盐相关的NAC转录因子，并对其中5个基因的功能进行详细分析，南荻NAC基因过量表达后均显著提高了转基因植株的抗旱性和耐盐性，通过一系列生理和生化试验，深入揭示了其参与南荻耐盐的分子调控机制，其通过激活胁迫相关基因的表达，增强植物体内的抗氧化酶（超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶等）的活性，减少活性氧在植物体内的积累，显著提高植物的抗逆性。. 目前已完成项目预期各项研究指标，发表了SCI论文6篇（Mutat Res Fund Mol Mech Mutagen、Scientific Rep、Front Plant Sci、Plant Cell Rep和Gene），截止2017年12月份，引用次数已达30余次。申请了国内发明专利7项。培养了1名博士研究生和2名硕士研究生，培养了3名中青年科研骨干，其中2名已由助理研究员晋升为副研究员，1名由副研究员晋升为研究员。