高压静电场对甘草植物的表观遗传效应及其机制研究

Great achievements of electromagnetic fields biological effects has made on Morphological and physiological studies.With the research and application of the electric field biological effect getting deeper, some new research hotspots appeared. The epigenetic effects of electromagnetic field is one case.epigenetic modification is widely exists in animals and plants' genome. It plays an important role in maintenance of genomic stability, defense of foreign genes invasion, environmental stress resist and genetic expression regulate.Because plant DNA methylation increases the information amount of the genome, it is one of the research focuses. However, the methylation under the electric field hardly has paper till now.To explore how the high-voltage electric field affects licorice DNA methylation and character variation, this study use high-performance liquid chromatography (HPLC) and Methylation Sensitive Amplification Polymorphism (MSAP) to deal with liquorices' plants in different electric field processing and growth periods. Their DNA methylation level and methylation modification polymorphism loci were determined by sequence analysis and clone and were functional annotation through homologous sequences which were matched.This effects study of electromagnetic epigenetic inheritance, which is based on plant DNA methylation, would make innovations in the extraction technology of electromagnetic biological information. In summary, the change of Licorice DNA methylation in the high-voltage prick electrostatic field could reveal the biological effect of electromagnetic field, broaden the application field of electromagnetic devices and provide new ideas and theoretical guidance for the application of the electromagnetic field on plant.

形态和生理水平上对电磁场的生物效应研究取得了很大的成效。随着研究和应用的不断深入，一些新的研究热点涌现出来,电磁场的表观遗传效应就是其中之一。表观遗传修饰，广泛存在于动植物基因组中，在维持基因组稳定性、防御外来基因入侵、抵御不良环境胁迫、调节基因表达等方面起着重要作用。特殊的环境条件刺激能引起植物的表观遗传变异,是目前植物研究的热点之一。已有证据表明电场条件下植物的变化符合表观遗传变异特点，但这方面研究尚鲜有报道，为探究高压电场对植物的表观遗传效应，本项目以甘草为材料，通过不同形式的电场处理，采用高效液相色谱技术（HPLC）和甲基化敏感扩增多态性技术(MSAP)对电场处理前后的种子、幼苗及不同生育期的甘草植株DNA信息进行提取，基于植物DNA甲基化对电磁表观遗传效应进行研究，从根本上揭示电磁场在植物上的生物效应，为创新电磁生物信息提取技术，拓宽电磁装置在植物上的应用，提供理论和实践支撑。

甘草是豆科、甘草属多年生草本植物，被誉为中药之王，具有重要的药用价值，是我国最常用的中药之一。目前，甘草资源匾乏，在改善品质、育种和栽培等方面有诸多问题亟待解决。植物体可通过甲基化与去甲基化来调控不同环境条件和不同发育阶段的基因表达。电场调控植物的生长发育已取得显著成绩且多见报道，而关于高压静电场对甘草基因组ＤＮＡ甲基化的影响尚未见报道。因此，本研究的目的旨在利用甲基化敏感扩增多态性技术对电场处理前后的甘草种子萌发过程中ＤＮＡ甲基化水平变化及其多态性进行分析，揭示高压静电场在甘草上的表观遗传效应，为作物遗传改良及物理因素在植物新品种的培育提供依据 。取得主要结果如下：.1.甘草种子经E=27kV/cm,的负高压静电场处理10分钟发芽率最高为42.33%，比对照提高了17.33%，电场处理降低了苗期的相对含水量、提高了幼苗根冠比、幼苗期的根长和株高。.2.高压电场处理可使甘草种子CCGG位点的甲基化水平约为12.89%比对照组增加了0.7%，以双链甲基化为主。种子中DNA甲基化水平在萌发过程中呈现先升高后降低的变化趋势。在子叶期，对照组和高压静电场处理组总甲基化水平分别为11.42%和17.48%，显示高压静电场胁迫诱导甘草子叶总的甲基化水平升高了6.06%，以单链甲基化为主。甘草种子在萌发过程中，DNA甲基化具有复杂性，同时发生了甲基化和去甲基化事件。经电场处理的种子种植以后三年生甘草植株实验组茎部的全甲基化、半甲基化和总甲基化的平均水平较对照组降低，总甲基化水平平均降低 9.71%；经电场处理后的三年生甘草植株实验组叶片全甲基化比率上升，半甲基化比率下降，总甲基化水平较对照组平均降低 14.97%，说明高压静电场处理使甘草植物的甲基化程度降低。.3.高压静电场处理组的平均甘草酸含量为 10.72%，比对照组的平均含量高出 2.81%，说明电场处理对甘草植物的甘草酸的含量有一定提高作用；.4.首次克隆到甘草甲基化转移酶的部分 DNA 片段，其长度为946bp，并分析了它对应的蛋白质的高级结构。.上述结果为物理技术在甘草表观遗传研究以及利用物理技术进行新品种的培育提供依据。