辐射旁效应诱导拟南芥TGS序列表观激活的染色体位置效应研究

The radiation-induced bystander effects (RIBE) in plants provide a new insight into the mutagenesis of low-energy-ions. Recent researches have found that RIBE is epigenetic in nature, which suggests that epigenetic regulation may be involved in the biological effects of low-energy-ions. Our previous work shows that the TGS silenced loci can be transcriptionally activated through RIBE, and the process may be affected by the location of TGS loci in chromosome. In this proposal, we will further investigate the effects of chromosomal location on RIBE-induced TGS alleviation. First, a population transgenic for trans-TGS-GUS will be established, in which the TGS-GUS reporter gene will be stochastically located at various chromosomal loci. Then, the RIBE-mediated reactivation of TGS-GUS and corresponding epigenetic status will be measured in each independent line transgenic for TGS-GUS. The mechanisms underlying the epigenetic regulation of RIBE will be clarified using the mutant deficient in the TGS-regulating genes. Finally, a mathematic model of epigenetic regulation of RIBE-mediated alleviation of TGS will be established by integrating the above experimental data, which allows us to better understand the mechanisms underlying the mutagenesis of the low-energy-ions.

植物辐射旁效应诱导的遗传和表观遗传改变从不同的角度解释了低能离子束的诱变机制，赋予了低能离子生物学新的内涵。最近研究发现拟南芥辐射旁效应也可以诱导TGS（Transcriptional Gene Silencing）沉默元件的表观激活，并且和TGS序列的染色体定位有一定的关联。本项目在此基础上进一步研究染色体位置效应对辐射旁效应诱导TGS激活的影响及其特点、规律和分子机制。通过构建染色体不同位点的TGS-GUS报告基因转化群体，比较不同染色体定位的TGS-GUS对辐射旁效应的响应情况；进一步分析辐射前后TGS-GUS位点染色体DNA甲基化和组蛋白编码的状态改变，以及TGS调控基因功能缺失对辐射旁效应诱导TGS-GUS激活的影响及其对染色体位置的依赖性；综合以上实验数据，构建辐射旁效应诱导TGS表观激活的染色体位置效应数学模型，为充分理解低能离子束的诱变机制提供科学依据。

低能离子辐射由于能量低穿透力弱，其诱变机制一直是争论的焦点。植物辐射旁效应的发现和解析为低能离子诱变机制研究提供了新的思路。我们前期研究发现辐射旁效应能够激活转录基因沉默（TGS）机制调控的重复序列，且与重复序列所处的染色体位置存在某种相关性。本项目在此基础上，构建了一系列整合到染色体不同位置的反式TGS-GUS重复序列报告系，确定了重复序列位点表观修饰对辐射旁效应的响应特性。同时利用组学的方法，探讨了辐射旁效应在全基因组层面诱导重复序列转座子表观激活中的作用和角色，发现辐射旁效应能够介导特定转座子的表达改变，且具有剂量饱和效应，部分位点的转座子表达改变和其序列的甲基化状态相关。我们进一步研究了植物个体间旁效应的表观作用模式，发现植物个体间辐射旁效应同样能够介导TGS-GUS报告基因的激活，并且其激活受TGS基因的CHH位点的DNA甲基化调控。我们也发现植物辐射旁效应能够通过增强非靶向组织的DNA损伤修复潜能，以提升其对后续大剂量辐射的抵抗能力（辐射适应性反应）。有趣的是，旁效应诱导的适应性反应受到辐射靶区大小的负调控。在此基础上，我们拓展了TGS-GUS在非靶向效应方面的应用，发现植物根局部暴露于环境纳米银可以通过系统性反应（旁效应）导致植物地上组织TGS-GUS重复序列激活，但该激活并不受DNA甲基化影响。本项目的研究进一步解析了辐射旁效应的表观作用过程和机理，为充分理解低能离子的诱变机制提供了新的科学依据。