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空间是一个复杂的环境,暴露在这个环境下的生物,不但受到微重力的影响,更重要的是生物会受到来自银河宇宙、太阳和地球磁场捕获带来源的辐射,而诱发一系列生物学问题。空间辐射是低剂量,但高能量的复合粒子环境,其中来自银河宇宙射线的高能量带电荷粒子(high charge and energe,HZE)因为具有较高的传能线密度(linear energy transfer,LET),可以对击中的生物体产生更强的损伤而成为该领域的研究重点。高LET值通常指大于10KeV/μm的重离子,地面的研究表明在10至100 KeV/μm范围内,诱发的相对生物学效应随着LET值增高而增加,但大于100 KeV/μm值则开始下降的规律,表现了高LET值重离子依赖的生物学效应。本实验室前期从空间获取的不同LET值击中水稻种子的功能基因变化数量上也发现了这一规律。由于DNA甲基化(DNA methylation)参与生物体的发育和抗胁迫功能基因的表达调控,因此本论文就DNA甲基化参与空间环境不同LET值HZE诱导的序列特征和规律,及与甲基化修饰酶的关联等进行了系统分析。CR-39重离子探测膜可以检测到LET值大于5 KeV/pm的重离子,根据粒子径迹分析可以判定HZE单粒子是否击中水稻种子胚部,并获取击中种子的HZE的LET值,而没有检测到粒子径迹的种子为低LET值(RN)处理组,所以本研究利用CR-39获取了经实践十号卫星搭载的,被不同高LET(60,100,150,200KeV/μm)值HZE单粒子击中水稻种子胚部的高LET值处理组,CR-39未检出HZE径迹的种子定为低LET值(RN)处理组,在返回冷藏606天后与其相应的地面对照组(CK)进行了人工气候室的种植,发育到分蘖期(T)和抽穗期(H)分别取其叶片进行全基因组甲基化和转录组测序,获得如下几个结果:首先分析不同高低LET值处理组的胞嘧啶甲基化占基因组胞嘧啶的比例及其位点和规律。发现其与对照相比,RN和R60处理组在CG和CHG位点的甲基化胞嘧啶占比,从分蘖期到抽穗期是增高的状态,而在大于60KeV/μm处理组仍然处于低水平状态。但在CHH位点,只有100KeV/μm处理组在两个发育阶段仍然保持较低水平,其他各处理组甲基化水平升高,表明胞嘧啶的甲基化和去甲基化水平,根据不同LET值处理产生的动态调控状态也不同。对20个参与修饰甲基化转移酶的基因表达关联分析表明,在分蘖期CHH位点甲基化增强与甲基转移酶(AGO1a)的相关系数是0.76(P<0.05)其他处理组的甲基化胞嘧啶比例虽然与甲基转移酶有所关联,但是并不显著(P>0.05)。基因组差异甲基化区域(DMR)的数量分析发现,在每个处理组都有25000到30000个DMR,分布在启动子、基因编码区和重复序列区域的DMR分别占总数的23%-26%,19%-27%和50%-56%。分析其中在启动子和基因编码区的CG,CHG,CHH位点的修饰模式,发现在CG,CHG位点的hypo DMR数量都表现为随分蘖期到抽穗期逐渐增多,表现为去甲基化增强,而在CHH位点,除100KeV/μm处理组外,其他处理组的hypo DMR数量减少,表明在CHH位点是随着发育甲基化是逐渐增强的状态。分析其与对应的甲基化转移酶的相关性,表明在启动子区域,分蘖期的CG位点的甲基化水平与AGO1a的相关系数为0.85(P<0.01),抽穗期甲基化水平在CG和CHG位点与AGO1a的相关系数分别为0.86和0.76(P<0.01,P<0.05)。在基因编码区,抽穗期的CG和CHG位点的甲基化与AGO1a的相关系数分别达到了 0.9(P<0.01)和0.66。综合分析可以看出,启动子和基因编码区的CG,CHG位点甲基化是由甲基转移酶AGO1a参与调控的。CHG去甲基化是由糖基化酶DNG701参与的。生物学功能分析表明,不论高低LET值诱发的DMR在分蘖和抽穗期都在蛋白质磷酸化,核酸代谢,多糖结合功能富集。还在多数处理组表现了离子结合,氧化还原过程,催化活性功能发生富集。被富集条目的数量在不同LET值处理组中是不同的,存在一定的LET值依赖生物学效应特征。DMR显著富集通路的研究发现多数处理组均在二萜和类固醇生物合成通路显著富集。两通路中关键基因的甲基化模式与表达水平的一致性比例分别为63%和83%。而且在序列水平上发现空间辐射诱发的甲基化修饰存在序列的热点区域。综上,本研究表明,空间不同高低LET值辐射粒子诱导的整体甲基化模式及其动力学变化,是通过AGO1a和DNG701甲基转移酶参与发生。特别是在启动子和编码区的CHH位点的甲基化修饰与不同LET值处理的关联,可能与LET值依赖生物学效应有关。本研究为认识空间辐射诱变生物学效应的表观遗传学机制提供了关键的数据。