effekter av Mutagena agens på DNA-sekvensen i växter
Bakgrund:
moderna växtförädlare och jordbrukare kan utnyttja en mängd naturlig biologisk mångfald, som kan breddas genom tillämpning av mutationsinduktionstekniker., Effekterna av inducerad mutation på grödan förbättring återspeglas i 2316 officiellt registrerade sorter (IAEA: s Databas om officielltregistrerade muterade sorter, MVD) bär ny inducerad variation. Dessutom är ungefär tre fjärdedelar av dessa direkta mutantsorter som härrör från behandling med gammastrålar, thushighlighting betydelsen av fysiska mutagener. Allt detta leder till en enorm ekonomisk inverkan på jordbruks-och livsmedelsproduktionen som för närvarande värderas i miljarder dollaroch miljontals odlade hektar (Ahloowalia et al. i beredskap.)., Men medan den agronomiska potentialen för inducerad mutation är väl förstådd, har de exakta effekterna av olika mutagenikagenter på DNA-sekvensen i växter aldrig beskrivits. Under de senaste åren har nya tekniker för omvänd genetik och genupptäckt förnyat intresse för inducerad mutation. För dessa nya tillämpningar är det nödvändigt att tydligare förstå de typer av mutationer som genereras av de olika klasserna av mutagener och att mäta deras frekvens och fördelning längs genomet., Idag, och för första gången, är tekniken på plats för att genomföra de experiment som är nödvändiga för att få denna förståelse.
mutagena ämnen kan klassificeras i tre kategorier: fysikaliska (t.ex. gammastrålar), kemiska (t. ex. etylmetansulfonat) och transposerbara element (t. ex. transposoner, retrotransposons,T-DNA, Retrovirus). För närvarande finns det begränsade data om omfattningen av genetiska effekter som induceras på molekylär nivå i växter och om specificiteten och effektiviteten hos dessa olika kategorier av medel., Dessa effekter innebär DNA-skador, vilket resulterar i basparförändringar (enkel/enkel nukleotid polymorfism, SNPs),små Infogningar och deletioner (Indel) och kromosomala omarrangemang. Ännu mindre är känt om hur inducerad mutation interagerar med epigenetiska processer, såsom metylering,aktivering av retroelement och störning av högre ordning DNA-struktur.,
även om uppfödare har använt mutationsinduktion för att bredda den genetiska basen av germplasm och har använt mutantlinjerna direkt som nya sorter eller som källor till ny variationi korsuppfödningsprogram, var det inte nödvändigt att känna till den exakta arten av de inducerade mutationerna. Intuitivt en konservativ nivå av små baspar omarrangemangoch radering ansågs vara idealisk. Numera har användningen av mutationstekniker expanderat bortom applikationer i avel till genupptäckt och omvänd genetik., Dessa nya tillämpningar med hög kapacitet kräver specifika mutationsklasser som induceras med hög effektivitet över hela växtorterna, och följaktligen blir kunskap om den exakta arten av inducerad mutation ett problem.
metoder för upptäckt av gener med hög genomströmning beror i hög grad på infogade ”knockout” -linjer, de nu klassiska ”genmaskinerna” och Deletion ”knockout” – biblioteken. Införandemutageninnebär att man ökar införlivandet av kända överförbara element (t. ex., retrotransposons som tenderar att transponera till aktiva gener) för att producera serie linesin som i teorin kommer varje gen i genomet att ha inaktiverats av transposoninsatsen. Dessa linjer kan användas för att identifiera gener som orsakar särskilda fenotyper eller omvänt, Kan användas för att identifiera genfunktion genom att söka efter en fenotyp associerad med inaktivering av en viss känd gen. Men insertional mutanter har atendency att vara instabil (dvs excision av transposon tag, t ex, AC / DS binärt system, i nästa generation kan orsaka fenotypen att återgå till den ursprungliga överordnad typ,eller aktivering av retrotransposon taggar genom olika påfrestningar kan multiplicera infogningshändelser, t.ex. under mikropropagation). I jämförelse med infogad mutagenes ger konventionellmutationsinduktion (dvs användning av fysikaliska eller kemiska medel) fördelen av stabila mutationer.
i teorin innebär produktionen av deletionsbibliotek att inducera måttligt stora deletioner, som helst sträcker sig från 1 kb till 100 kb i storlek, i var och en av en rad linjer.,Dessa deletioner bör omfatta segment av varje gen i den genetiska repertoaren och bör representeras minst av en rad i deletionsbiblioteket. Dessa raderingslinjer kan, när de används tillsammans med hela genomgenarrayer, användas för att identifiera gener som är ansvariga för vissa fenotyper eller för att bekräfta sambandet mellan kända gener och särskilda fenotyper.
en ny och viktig omvänd genetik metod är ”inriktning inducerade lokala skador i genom” (TILLING)., Här induceras ett stort antal små förändringar, antingen DNA-basparsubstitutionereller små deletioner som inte sträcker sig mer än några baspar i en serie linjer. I dessa linjer genfunktion kan fastställas genom att associera en fenotyp med förändringari en viss gen och nya alleler av kända gener kan genereras.
under de kommande åren kommer ny teknik som dessa att få allt större inverkan på den praktiska växtförädlingen. De kommer dock att kräva olika typer av mutationer inducerade vid specifikafrekvenser., För att skräddarsy mutationsprocessen kommer det att finnas ett behov av att förstå hur specifika klasser av mutationer genereras och distribueras över genom. Tidigare har dettainte varit möjligt på grund av brist på analytiska verktyg och en otillräcklig kunskap om både processen med DNA-skada och arkitekturen av växtgenom. Dessutom var endast en begränsadantal växtgener sekvenserade. Idag ger hög genomströmning DNA-sekvenseringsmetoder i kombination med bioinformatik och funktionella genomiska tillvägagångssätt omfattande kunskap om genomarkitektur., Den fullständiga genomiska DNA-sekvensen av en modell dikotyledonös växt, Arabidopsis och en modell monokotyledon, ris har blivit tillgänglig nyligen. Alsovetenskapare befinner sig nu med en rad metoder, mestadels utvecklade som molekylmarkörteknik som kan anpassas för att kvantifiera förändringar i DNA-sekvensen. Sammantaget är scenen inställd på att överföra vetenskapen om DNA-skador som orsakas av fysiska och kemiska mutagener från humangenetik till växtsystem., En rad tekniker kan nu användas för att kvantifiera den underliggande bashastigheten, över antal generationer, av spontan mutation och de momentana effekterna av mutationsmedel. Således befinner sig forskare nu äntligen i en position för att genomföra experiment som kan riva upp de typer av mutationer som induceras av olika mutagener så att framtida användare av inducerad mutation kan använda tekniken i en fullt informedmanner.,
mål:
syftet är att förstå mekanismen för mutationsinduktion i växter och att kvantifiera typerna (basparbyten eller deletioner), frekvenser (förändringshastigheter i förhållande till mutagensdos) och mönster (induktion av förändringar i olika delar av genomet) av förändringar i Dnainducerad av en rad fysiska och kemiska mutagener i en rad viktiga växtarter. Molekylär markör, DNA-array och nya omvända genetiska metoder kommer attanvändas i ett unikt tillvägagångssätt för att analysera och undersöka induktionen av mutationer som framkallas i ett antal växter av agronomisk betydelse., Dessa resultat kommer att användas för att tillhandahålla protokolloch riktlinjer som är viktiga för framtida användning av inducerad mutation i växtbiologi och växtförbättring. Kunskap som erhållits kommer att hjälpa medlemsstaterna att förbättra odlingsprogrammen genom tillämpning av målinriktade framkallade mutationer och kompletterande genomiska metoder i syfte att öka jordbrukets hållbarhet, livsmedelsförsörjning och ekonomisk stabilitet. Detta referenslaboratorium kommer att utnyttja ny utveckling inom DNA-analys och genomik för att definiera typer, frekvenser, frekvenser och mönster för mutation som induceras av de olika Mutagena., Detta kommer att generera en kunskapsbas som kommer att vägleda och hjälpa framtida användare av inducerad mutationsteknik för grödförbättring och genomik.Dessutom kommer det att fokusera på fysiska mutagener, såsom gamma och snabb neutron eller röntgenstrålning. Utvalda kemiska mutagener kommer också att användas för att jämföra den relativaeffektiviteten hos båda typerna av Mutagena medel. Effekterna av dessa mutagener kommer att utvärderas på genetiskt homogent utsäde och vegetativt förökat växtmaterial.,Särskilda huvudmål är:
- bestämning av mekanismer och totala nivåer av DNA – skador vid M1-generationen, t.ex. direkt i behandlat utsäde i pre-och postspiringstester.
- bestämma typer, frekvenser, priser och mönster av mutationer i M2 generationer, över (A) hela genom och (b) i riktade DNA-sekvenser inom genom.
- bestämning av typ och frekvens av spontan mutation över generationer i viktiga växtgrupper (t.ex. ett utvalt växtsystem, för att bestämma spontanhastigheten som en baslinje och som en inneboende indikator på genotypen mutagenicitet).,
- utarbetande av protokoll och riktlinjer för användning av särskilda mutagener för en rad specifika tillämpningar inom förbättring av grödor och genomik.
- bestämma den kemiska och molekylära grunden för differentiell strålningskänslighet i olika sorter av samma växtarter.
- kvantifiera typ och frekvens av spontan mutation vid baslinjen, med hjälp av mutationsackumuleringsexperiment av flera generationer.
deltagare:
ladda ner pdf]
projektansvarig:
P. J. L. Lagoda