植物基因组学.doc

提高紫外线辐射UV-B降低植物基因组稳定性平流臭氧层的长期消耗能够增加陆地表面接受的太阳能的紫外线辐射UV-B。这对生物体有不良影响，例如DNA伤害。当暴露于提高了的UV-B辐射时（UV-B; 280315 nm），植物会表现出各式各样的生理学和形态学的特征来回应以便适应环境。我们将展示，用特殊的太阳光模拟器来提高UV-B辐射的确能够提高拟南芥和烟草植物植株内同源DNA重组的频率。重组的增加伴随着光复合酶的强烈感应现象和Rad51基因的表达。这些基因确定地包含于主要的DNA修复路径、光致复活作用和重组修复中。拟南芥的突变体光致复活过程中紫外感应的环丁烷嘧啶二聚体是不足的，在提高UV-B下的重组是大大超过野生型水平的。我们的结果显示同源重组修复路径可能包含消除在植物中的UV-B影响的DNA损害。因此，增加陆地表面的UV-B辐射可以预期为21世纪早期影响植物基因组稳定性的因素。平流臭氧层是减少太阳光UV-B辐射到地球表面最关键的因素。因此，臭氧层的连续消耗会伴随着陆地上UV-B的辐射增加，特别是在300nm波长以下。鉴于UV-B在植物生长、发育、生理学和形态学中的影响已经被集中的研究，少量的了解了一些在植物基因组稳定性上的影响。由于基因组含有大量重复排列的DNA序列和很多同源的基因家族，因此同源重组对植物特别重要。此外，在植物细胞内的同源DNA序列间的重组会被DNA损伤机制强烈刺激。为了获得一个关于长期提高UV-B辐射强度对植物基因组的影响真实的判断，我们将拟南芥和烟草植株的几个世代暴露在不同水平的UV-B辐射下。基因组的稳定性通过分析被测植株的基因重组和后代来检测。为了模仿自然的阳光环境，我们提供了800mol m-2 s-1光合作用辐射的自然光谱平衡和19Wm-2,UV-A，在这种情况下光生物学进程会被正常的生理学水平激活。这种光谱是由四种不同的UV-B补充，这四种UV-B通常是做为生理学上很有效的UV-B被给出，一般为300nm。（细节参照发射光谱和交替增加的补充信息）环境的UV-B机制，UV-B1(2.3 kJm-2 d-1BE) and UV-B2 (6.6 kJm-2 d-1BE),是在当前的北纬中纬度（40 N60N），垂直高度水平面1000m以上的范围内。两种高的UV-B机制，UV-B3 (18.6 kJm-2 d-1BE) and UV-B4(27.1 kJm-2 d-1BE)，被用于测试植物对强的UV-B辐射的反应。提高UV-B辐射对植株重组频率的影响用转基因烟草体系和四个独立的拟南芥体系来分析，拿一个或多个重组的报告转基因拷贝，每个是唯一且不同的。所有的重组基底包含两个重叠的-葡萄糖醛酸酶基因片段，这两个片段是纵向定位或是反向重复序列并且被匀霉素抗性基因打断。在这些重叠序列间的基因重组导致了一个完整的、有功能的-葡萄糖醛酸酶基因。这两个重叠基因重叠部分的长度和重组基底每个部分的序列定向(Table 1)。在用组织化学法染色植物后，重组变得很直观，它们的编码和位置很确定(Fig. 1ae)。在所有的图谱测试，植株的重组率是在最近环境UV-B（1.00.2）10-7-(3.50.5)10-5水平每个基因组的重组事件(Table 1)。图谱间的大的变化可能导致重组基底的结构、转基因拷贝数量和植物物种不同。在基因组中重组基底混乱的位置不同，可能会是复制行为和重组率的重要影响因素。由所测的植株图谱可见暴露在不同的UV-B辐射水平下引发形态学变化而且明显的影响了植株的重组率(Table 1)。在已提高的UV-B但在生态学上仍很重要UV-B2下，在烟草和拟南芥体系中的重组率增长值仍值得注意。在line N9 rose 4.6-fold, in line A11 1.7-fold, in lineA211 4.6-fold and in lines A231 and A651 twofold.的重组率。由于很高的UV-B辐射，UV-B3 和 UV-B4,重组甚至被在UV-B1到UV-B3之间超过8.5-fold和在UV-B1到UV-B4之间超过14-fold所影响。看起来，一般在已提高的UV-B辐射下的重组感应不受植株物种和序列分析的支配，而且可能一个很大的基因组范围内由于不同的轨迹具有不同的专一性。由UV引起的DNA损伤的信息和位置，和DNA修复进程的辅助性核行为一样，被核染色质结构很大影响，在酵母和哺乳动物细胞中影响最小。在植物基因组内不同的位置可能会在重组行为中对不同增长的UV-B压力做出反应。在提高UV-B辐射后重组水平增加可能是增强的伤害和受影响的DNA修复的直接后果。测试由UV-B引起的DNA伤害修复是否影响重组，我们越过转基因的拟南芥带有光复活酶缺陷line uvr2-1的line A651，line uvr2-1可以减少引起DNA损伤的主要因素环丁烷嘧啶二聚体光致复活作用的修复。在line A94这个结果后代里，uvr2-1的同型合子，UV-B辐射的存在在很大范围内刺激同源重组要强过控制的后代line A87，UVR2-1的同型合子(Table 1)。在UV-B1下，在line A94内的重组率是比line A87高1.8-fold。光复活酶缺陷的植物比野生型对于UV-B辐射敏感的多，因此我们细微的减少机制。一日剂量的7.7 kJm-2 d-1BE UV-B在line A94内诱发的重组是line A87 5.4倍多，一日剂量的13.4 kJm-2 d-1BE UV-B增加的重组率是line A87 11.4倍多。更高的UV-B剂量对于光复活酶缺陷的植物来说是致命的。缺少环丁烷嘧啶二聚体的光致复活作用的修复，对比野生型暴露于高UV-B下的突变体中增加了不变的环丁烷嘧啶二聚体浓度(Fig. 2a)。与此相反，(6-4)光生产物的浓度在光复活酶缺陷的植物暴露于UV-B高辐射下不受影响，就像野生型一样（数据无显示）。这些数据表明环丁烷嘧啶二聚体在植物基因组和同源重组中有很强的联系，此外重组可能包含于环丁烷嘧啶二聚体的修复中。消除UV-B对DNA伤害，通过DNA修复路径如核苷酸切除可能会重新创造引起重组的中间物。此外UV-B促进的信号传输法路径可能会通过刺激作用促进重组进程。例如DNA修复基因的转录。植物对由UV-B高辐射引起的毒害作用通过逐渐增加的不同的适应环境的回应进行补偿，包括二次代谢物的累积和DNA修复的刺激。UV-B筛选合成的代谢物，主要是黄酮醇被用于抵抗UV-B对植物进行保护。因此我们相信橡黄素和醇衍生物的浓度同芥子酸胆碱酯和花青素混合物一样是UV-B针对的植物成分。当植物暴露在UV-B2水平时，对比UV-B1下的植物黄酮醇的产量是很大的诱导剂。在UV-B3和UV-B4条件下，只是一个很弱的额外的黄酮醇累积物可以被观察到。与黄酮醇不同，芥子酸胆碱酯是不被高UV-B辐射诱导的（数据无显示）。可见的花青素的量在更高UV-B辐射是增加的，虽然对比黄酮醇来说水平很低（数据无显示），表明在吸收UV-B辐射上花青素影响很小。在预期的高UV-B辐射水平下保护免受UV-B辐射是被UV-B筛选的色素决定的是不完全的。这可能，最少部分被加强的修复作用抵消。我们通过检查恒定水平的PHR1和AtRad51信使RNA（后者通过假定的重组修复）对比了暴露在不同水平的UV-B高辐射下植物的修复行为。利用RT-PCR,我们发现两个基因平衡的mRNAs都在高剂量的UV-B下增加了。这就暗示在UV-B高辐射下生长的植物增加了修复DNA损伤的能力。这种能力能最大限度的降低DNA损伤致使环丁烷嘧啶二聚体和（6-4）光化学物到了植物在高UV-B辐射下的水平。在动物和酵母中，Rad51是重组必要的，在植物细胞中已经被认为是在伽马辐照后有很强诱导性。如果AtRad51涉及植物重组修复，在高UV-B辐射下增强AtRad51的表达可以更好的增强重组修复行为，同时以此增加同源重组率。胚的重组可以永久改变后代的遗传产物并且造成今后植物种群的基因改变。虽然生殖器官通常被认为用来在发育和成熟阶段保护免受UV-B伤害，长期的暴露在高UV-B辐射下可能会影响植物的生殖组织并引起DNA伤害。成熟的花粉粒在花药裂开时期和花粉管进入柱头组织时期潜意识的对UV-B诱导的DNA伤害很敏感。事实上，用UV-B辐射玉米花粉可以激活隐藏的转座因子。重组过程可能被条件诱导从而影响植物后代的基因组稳定性。我们分析UV-B辐射对拟南芥植物胚重组频率的影响。胚的重组在植物中相当的少，可以是减数分裂重组的产物或是代表同源植物交换作用。为了探测这种稀有的胚重组，我们去除了大部分的暴露在UV-B高辐射下生长的幼苗。对比UV-B1条件下，在7天的时间内UV-B2使拟南芥幼苗胚重组的数量增加了4倍，UV-B3则是10倍(Fig. 1e, Table 2)。在植物种群内发芽率萌芽率则没有不同（数据无显示）。虽然胚重组的数量很少，这个初步的实验可能预示着高UV-B辐射可能不仅能增加植株组织的基因组不稳定性而且能在植物群体中发生永久改变。此外，暴露在高UV-B辐射下的植物后代对比亲本显示出了更高的UV-B引发的植株重组率。鉴于周围环境的UV-B1水平不能在以后的植株后代中刺激植株重组，暴露在UV-B2、UV-B3下的群体在植株后代中重组率有明显提高(Table 1)。当亲本植株暴露在相似的UV-B2水平下时，F1代显示为2.4-fold，F2代对比F0代显示更高的3.2-fold重组率。在UV-B3辐射下F1代和F2代的重组率增加为近似的2.5 和 3.2。因此，暴露在高UV-B辐射下几个世代可能会逐渐增加植株重组率，就像永久改变的植株数量一样。在自然条件下陆地上UV-B辐射强度取决于UV筛选的臭氧层的厚度，太阳的高度和气象条件。因此，从实验中获得的数据中推断，对比自然界的静电的UV-B，动态的UV-B条件是困难的。然而我们的数据，允许推断在高UV-B范围内全部的生物学观点是因为所有的重组数据包括在高UV-B下（UV-3、UV-4）与结果包含的一般生态学的UV-B范围（UV-B1、UV-B2）一致。我们相信因此，在阳光下的UV-B辐射的增加，由于臭氧层的长期消耗，可能会影响植物种群的基因组稳定性。1. 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