Effekter af mutagene agenter på den DNA-sekvens i planter
Baggrund:
Moderne plante-avlere og landmænd kan udnytte et væld af naturlige biodiversitet, som kan være meget udvides gennem theapplication af mutation induktion teknikker., Virkningen af induceret mutation på afgrøde forbedring er afspejlet i 2316 officielt registrerede sorter (IAEA ‘ s database på officiallyregistered mutant sorter, MVD) regnskabsmæssig roman induceret variation. Desuden er omkring tre fjerdedele af disse direkte mutante sorter afledt af behandling med gammastråler, der fremhæver betydningen af fysiske mutagener. Alt dette medfører en enorm økonomisk indvirkning på landbrug og fødevareproduktion, der i øjeblikket er værdsat i milliarder dollarerog millioner af dyrkede hektar (Ahloo .alia et al. i prep.)., Selvom det agronomiske potentiale ved induceret mutation er godt forstået, er de præcise virkninger af forskellige mutagenicagenter på DNA-sekvensen i planter aldrig blevet beskrevet. Desuden har nye reverse genetik og genopdagelsesteknologier i de senere år ansporet fornyet interesse for induceret mutation. Til disse nye anvendelser er det nødvendigt at forstå tydeligere de typer mutationer,der genereres af de forskellige klasser af mutagener, og at måle deres frekvens og distribution langs genomet., I dag og for første gang er teknologierne på plads til at gennemføre de eksperimenter, der er nødvendige for at få denne forståelse.mutagene stoffer kan inddeles i tre kategorier: fysiske (f.eks. gammastråler), kemiske (f. eks. ethylmethansulfonat) og transposerbare elementer (f. eks. transposoner, retrotransposoner,T-DNA, retrovirus). På nuværende tidspunkt foreligger der begrænsede data om omfanget af genetiske effekter induceret på molekylært niveau i planter og om specificiteten og den relative effektivitet af disse forskellige kategorier af stoffer., Disse virkninger involverer DNA-skade, hvilket resulterer i ændringer i basepar (enkelt/simpelt nukleotidpolymorfier,SNP ‘ er), små indsættelser og deletioner (indels) og kromosomale omlejringer. Endnu mindre vides om, hvordan induceret mutation interagerer med epigenetiske processer,såsom methylering, aktivering af retroelementer og forstyrrelse af DNA-struktur af højere orden.,
Mens opdrættere har brugt mutation induktion til at udvide den genetiske base af germplasm, og har brugt den mutant linjer direkte som nye sorter, eller som kilder til nye variationin krydsning programmer, kendskab til den nærmere karakter af den inducerede mutationer ikke var nødvendigt. Intuitivt et konservativt niveau af lille basispar omlejringog sletning blev anset for at være ideel. I dag er brugen af mutationsteknikker udvidet ud over applikationer i avl til genopdagelse og omvendt genetik., Thesenew high-throughput applikationer kræver specifikke klasser af mutationer, der er fremkaldt med høj effektivitet over hele afgrøden planters genomer, og dermed viden af præcis karakter af induceret mutation er ved at blive et problem.
high-throughput gen opdagelse metoder afhænger i høj grad på insertional ‘knockout’ linjer, de nu klassiske ‘gen maskiner’, og sletning ‘knockout’ biblioteker. Insertionelle mutagenerinvolverer at inducere øget aktivitet af transponering af kendte transposerbare elementer (f. eks., gener) for at producere serier af linesin, som i teorien vil hvert gen i genomet være blevet inaktiveret ved transposonindsættelsen. Disse linjer kan bruges til at identificere gener,der forårsager bestemte fænotyper, eller omvendt kan bruges til at identificere genfunktion ved at søge efter en fænotype forbundet med inaktivering af et bestemt kendt gen. Men insertionen mutanter har atendency til at være ustabil (dvs excision af transposon tag, fx, AC / Ds binært system, i den næste generation kan forårsage fænotypen at vende tilbage til den oprindelige overordnede type,eller aktivering af retrotransposon-tags gennem forskellige belastninger kan multiplicere indsættelseshændelser, f.eks. under mikropropagation). I sammenligning med insertionel mutagenese, konventionellemutationsinduktion (dvs.anvendelse af fysiske eller kemiske midler) giver fordelen ved stabile mutationer.
i teorien involverer produktionen af sletningsbiblioteker inducering af moderat store sletninger, der ideelt spænder over 1 kb til 100 kb i størrelse i hver af en række linjer.,Disse sletninger bør omfatte segmenter af hvert gen i det genetiske repertoire og bør repræsenteres mindst af en linje i sletningsbiblioteket. Disse sletning linjer kan,når de bruges sammen med hele genomet gen arrays, bruges til at identificere gener, der er ansvarlige for bestemte fænotyper eller for at bekræfte, foreningen af kendte gener med særlig fænotyper.
En ny og vigtig reverse genetics tilgang er ‘målretning inducerede lokale læsioner i genomer’ (TILLING)., Her induceres et stort antal små ændringer, enten DNA-basepar-substitutioner eller små deletioner, der ikke spænder over mere end et par basepar, i en række linjer. I disse linjer genfunktion kan konstateres ved at knytte en fænotype med ændringer i et bestemt gen og nye alleler af kendte gener kan genereres.
i de kommende år vil nye teknologier som disse have stigende indflydelse i praktisk planteavl. De vil dog kræve forskellige typer mutationer induceret ved specifikkefrekvenser., For at skræddersy mutationsprocessen vil der være behov for at forstå, hvordan specifikke klasser af mutationer genereres og distribueres over genomer. Tidligere har detteikke været muligt på grund af manglende analytiske værktøjer og utilstrækkelig viden om både processen med DNA-skade og plantegenomernes arkitektur. Derudover er kun en begrænsetantal plantegener blev sekventeret. I dag, high-throughput DNA-sekventering metoder kombineret med bioinformatik og funktionelle genomisk fremgangsmåder giver omfattende knowledgeon genom arkitektur., Den komplette genomiske DNA-sekvens af en model dicotyledonous plante, Arabidopsis, og en model monocotyledon, ris er blevet tilgængelig for nylig. Ogsåforskere finder sig nu med en række metoder, der hovedsagelig udvikles som molekylære markørteknologier, der kan tilpasses til at kvantificere ændringer i DNA-sekvens. Alt i alt erstadiet indstillet til at overføre videnskaben om DNA-skade forårsaget af fysiske og kemiske mutagener fra human genetik til plantesystemer., En række teknologier kan nu bruges til at kvantificere både den underliggende basishastighed over antal generationer af spontan mutation og de øjeblikkelige virkninger af mutationsmidler. Således forskere nu endelig befinder sig i enposition til at gennemføre eksperimenter, der kan optrævle den slags mutationer induceret af forskellige mutagener, således at fremtidige brugere af induceret mutation kan bruge teknologien i en fuldt informedmanner.,
Formål:
målet er at forstå den mekanisme af mutation induktion i planter og til at kvantificere typer (base pairchanges eller udeladelser), frekvenser (ændring i forhold til mutagener dosis) og mønstre (induktion af ændringer i forskellige dele af genomet) af ændringer i DNAinduced af en række fysiske og kemiske mutagener i en række af de vigtigste afgrøde plante arter. Molekylær markør, DNA-array, og nye reverse genetiske metoder vil blive brugt i en unik tilgang til at analysere og undersøge induktion af mutationer fremkaldt i en række planter af agronomisk betydning., Disse resultater vil blive brugt til at tilvejebringe protokoller og retningslinjer, der er vigtige for fremtidig anvendelse af induceret mutation i Plantebiologi og afgrødeforbedring. Den opnåede viden vil hjælpe medlemsstaterne med at forbedre dyrkningsprogrammerne gennem anvendelse af målrettet induceret mutation og komplementære genomiske tilgange med det formål at øge landbrugets bæredygtighed, fødevaresikkerhed og økonomisk stabilitet. Denne CRP vil udnytte nye udviklinger inden for DNA-analyse og genomik til at definere typer, frekvenser, satser og mønstre af mutationer induceret af de forskellige mutagener., Dette vil generere en videnbase, der vil guide og hjælpe fremtidige brugere af inducerede mutationsteknologier til forbedring af afgrøder og genomik.Desuden vil det fokusere på fysiske mutagener, såsom gamma og hurtig neutron-eller røntgenstråling. Udvalgte kemiske mutagener vil også blive anvendt til at sammenligne den relative effektivitet af begge typer mutagene stoffer. Virkningerne af disse mutagener vil blive vurderet på genetisk homogent frø og vegetativt formeret plantemateriale.,Specifikke hovedmål omfatter:
- bestemmelse af mekanismer og totale niveauer af DNA – skade ved M1-generationen, f.eks. direkte i behandlet frø i analyser før og efter spiring.
- bestemmelse af typer, frekvenser, satser og mønstre af mutationer i M2 generationer, over (a) Hele genomer og (B) i målrettede DNA-sekvenser inden for genomer.
- bestemmelse af typen og hastigheden af spontan mutation i generationer i centrale plantegrupper (f.eks. et udvalgt plantesystem til bestemmelse af spontan hastighed som basislinje og som en iboende indikator for genotypemutagenicitet).,
- udarbejdelse af protokoller og retningslinjer for anvendelse af særlige mutagener til en række specifikke anvendelser inden for afgrødeforbedring og genomik.
- bestemmelse af det kemiske og molekylære grundlag for differentiel strålingsfølsomhed i forskellige sorter af samme afgrødeart.
- kvantificering af typen og hastigheden af spontan mutation ved baseline ved hjælp af eksperimenter med mutationsakkumulering af flere generationer.
Deltagere:
Download pdf]
Project Officer:
P. J. L. Lagoda