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水稻作为最重要的农作物之一,解决了世界上将近一半人口的粮食问题。高产优质水稻品种的培育显得非常重要。目前,在水稻性状改良、新种质创建和新品种的培育中,栽培稻和野生稻种间远缘杂交发挥着越来越重要的作用。而栽培稻和野生稻杂种后代由于异源基因组重组带来的强烈冲击会引起基因组DNA甲基化变异等表观遗传的改变,并引起进一步的生物学效应。研究栽野杂种基因组甲基化变异规律对深入了解远缘杂交后代的遗传基础和基因表达,以及探索利用栽野杂种进行水稻种质创新和育种的有效途径具有重要的理论和应用价值。 本研究以栽培稻品种辽粳944(0.sativa)和广西药用野稻(0.officinalis)为对照,利用MSAP及RT-PCR技术等,对辽粳944×广西药用野稻杂种目的叶片和小穗不同发育时期的基因组DNA甲基化变异及相关基因表达进行了研究。主要研究结果如下: 1.栽培稻亲本辽粳944叶片DNA的平均总甲基化水平、全甲基化水平和半甲基化水平分别为18.18%、14.79%、3.39%;药用野稻叶片DNA的平均总甲基化水平、全甲基化水平和半甲基化水平分别为19.76%、15.78%、3.98%;杂种F1叶片DNA的平均总甲基化水平、全甲基化水平和半甲基化水平分别为20.19%、16.06%、4.13%。结果表明杂种F1叶片DNA的平均总甲基化水平、全甲基化水平、半甲基化水平均高于双亲,其甲基化水平发生了明显的变异。 2.栽培稻亲本辽粳944小穗DNA的平均总甲基化水平、全甲基化水平和半甲基化水平分别为16.65%,13.47%、3.18%;药用野稻小穗DNA的平均总甲基化水平、全甲基化水平和半甲基化水平分别为17.78%、13.77%、4.01%;其杂种F1小穗DNA的平均总甲基化水平、全甲基化水平和半甲基化水平分别为17.38%、13.67%、3.71%。结果表明杂种F1小穗DNA的甲基化水平变异表现为其平均总甲基化水平、全甲基化水平、半甲基化水平均介于双亲之间而高于中亲值。 3.不同发育时期甲基化水平的研究表明,F1叶片的DNA甲基化水平在生长发育前期高于双亲,在开花期介于双亲之间,F1小穗的DNA甲基化水平在不同时期均介于双亲之间,而随着生长发育,F1叶片和小穗的DNA甲基化水平均表现出明显强于双亲的下降趋势,表明F1基因组DNA甲基化在水平变化上较亲本发生了一定的变异。 4.F1叶片在亲本甲基化位点的平均DNA甲基化变异率为7.99%,其中,相对于栽培稻亲本辽粳944发生了甲基化模式变异的比率为1.04%,相对于药用野稻发生了发生了甲基化模式变异的比率为4.17%,相对于双亲发生了甲基化模式变异的比率为2.78%。 5.F1小穗在亲本甲基化位点的平均DNA甲基化变异率为5.44%,其中,相对于栽培稻亲本辽粳944、药用野稻和双亲发生了甲基化模式变异的比率分别为0.95%、2.77%和1.72%。 6.在少数亲本均未发生甲基化的位点,F1也发生了甲基化模式的变异,而在所有F1 DNA甲基化变异的类型中,去甲基化为主要的变异类型。 7.对DNA甲基化特异片段的序列分析表明,水稻远缘杂交过程中DNA甲基化的变异涉及到生长发育过程中的诸多方面,包括抗逆境胁迫、信号传导、维持细胞的结构与功能等。水稻基因组中的转座子是甲基化发生频率较高的区域。 8.进一步的RT-PCR分析显示,有6个特异片段在F1中的表达较亲本发生了改变,其中,有1个片段在F1中的表达水平介于双亲之间,该片段序列与植物突触结合蛋白具有同源性;有2个片段分别只在亲本之一表达而在F1中未表达,涉及的同源基因为蛋白结合蛋白和甲壳素诱导的赤霉素蛋白;有3个片段在F1中的表达较双亲明显上调,涉及的同源基因为蔗糖磷酸酶、逆转录转座子和锌指蛋白。