Question

【題目】植物在遇到不良環(huán)境影響時(shí)，會(huì)引起系列脅迫響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)改變，這一過(guò)程稱為脅迫響應(yīng)。而脅迫相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與其啟動(dòng)子區(qū)DNA分子的甲基化修飾（DNA分子上連入甲基基團(tuán)）密切相關(guān)。為研究植物種子萌發(fā)過(guò)程中的脅迫響應(yīng)機(jī)制，科研人員進(jìn)行了相關(guān)研究。

（1）ABA是一種植物激素，作為____分子，對(duì)植物生命活動(dòng)起_____作用。當(dāng)植物處于脅迫狀態(tài)時(shí)，體內(nèi)ABA含量會(huì)升高，ABA處理可模擬外界不良環(huán)境，使植物產(chǎn)生脅迫響應(yīng)。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥R基因編碼的D酶能夠切除某些基因啟動(dòng)子區(qū)DNA分子上的甲基基團(tuán)，即DNA去甲基化，從而改變?nèi)旧�質(zhì)結(jié)構(gòu)，使_____酶能夠與該部分啟動(dòng)子結(jié)合，從而開啟相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。

①科研人員以R基因突變體及野生型擬南芥種子為材料，用不同濃度ABA進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)率，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，______，推測(cè)R基因突變體由于D酶活性喪失，種子萌發(fā)對(duì)較高濃度的ABA脅迫更加敏感，可能與脅迫響應(yīng)基因啟動(dòng)子的甲基化程度有關(guān)。甲基化程度影響了植物對(duì)ABA的響應(yīng)。

②研究發(fā)現(xiàn)NIC基因是脅迫條件下種子萌發(fā)所需的關(guān)鍵基因之一�？蒲腥藛T檢測(cè)了1.2μM ABA處理后，擬南芥R基因突變體及野生型種子中NIC基因啟動(dòng)子不同區(qū)域的DNA甲基化程度，結(jié)果如圖2所示。

（注：圖中甲基化程度用數(shù)字表示，絕對(duì)值越大，表明甲基化程度越高。DNA中一條單鏈的甲基化程度用0～1表示，另一條用-1～0表示。）

圖2結(jié)果顯示，突變體NIC基因啟動(dòng)子的A、D區(qū)域___。

③結(jié)合上述研究，推測(cè)在種子萌發(fā)過(guò)程中，R基因突變體由于________，因此對(duì)ABA脅迫更加敏感。

（3）科研人員進(jìn)一步選取不同擬南芥種子為材料驗(yàn)證了上述推測(cè)。

①實(shí)驗(yàn)處理及結(jié)果如下表所示，請(qǐng)選擇a～f中的種子填入Ⅰ～Ⅲ處，在IV、V處填寫正確的ABA處理濃度，選擇檢測(cè)指標(biāo)g、h填入VI處。

組別	種子	ABA濃度（μM）	檢測(cè)指標(biāo)	萌發(fā)率
1組	I__	IV__	VI__	80%
2組	II__	1.2		10%
3組	III__	V__		65%

種子類型：

a. 野生型

b. R基因突變體

c. NIC基因突變體

d. R基因突變體中轉(zhuǎn)入含無(wú)甲基化修飾啟動(dòng)子的NIC基因

e. 野生型中轉(zhuǎn)入含無(wú)甲基化修飾啟動(dòng)子的NIC基因

f . NIC基因突變體中轉(zhuǎn)入含無(wú)甲基化修飾啟動(dòng)子的R基因檢測(cè)指標(biāo)：

g. NIC基因轉(zhuǎn)錄的mRNA

h. R基因轉(zhuǎn)錄的mRNA

②請(qǐng)解釋表中各組實(shí)驗(yàn)的萌發(fā)率結(jié)果：____。

Answer 1

【答案】信息 調(diào)節(jié) RNA聚合 ABA濃度為0.9、1.2μM時(shí)，突變體種子萌發(fā)率較野生型明顯降低 甲基化程度顯著高于野生型 缺失R基因，D酶活性喪失，不能去除NIC基因的啟動(dòng)子區(qū)的甲基化，導(dǎo)致NIC基因不能轉(zhuǎn)錄（轉(zhuǎn)錄降低） a b d 1.2 1.2 g R基因廣泛影響脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，ABA處理下萌發(fā)率低于野生型；轉(zhuǎn)入持續(xù)表達(dá)的NIC基因，能部分回補(bǔ)ABA敏感萌發(fā)表型，由于脅迫應(yīng)答相關(guān)基因很多，但仍有許多基因功能沒(méi)有得到回補(bǔ)

【解析】

由題意可知脅迫相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與其啟動(dòng)子區(qū)DNA分子的甲基化修飾（DNA分子上連入甲基基團(tuán)）密切相關(guān)，當(dāng)啟動(dòng)子DNA分子得人甲基化程度越高時(shí)，基因的轉(zhuǎn)錄受到的抑制程度越大。當(dāng)植物處于脅迫狀態(tài)時(shí)，體內(nèi)ABA含量會(huì)升高，ABA處理可模擬外界不良環(huán)境，使植物產(chǎn)生脅迫響應(yīng)。所以不同濃度的ABA處理可表示不同程度的不良環(huán)境，根據(jù)圖1可知，在ABA濃度較高時(shí)，R基因突變體種子萌發(fā)率明顯小于野生型，且隨著ABA濃度的增加，種子萌發(fā)受抑制的程度更大。研究發(fā)現(xiàn)NIC基因是脅迫條件下種子萌發(fā)所需的關(guān)鍵基因之一，由圖2可知，突變體NIC基因啟動(dòng)子的A、D區(qū)域甲基化程度顯著高于野生型，據(jù)此推測(cè)在種子萌發(fā)過(guò)程中，R基因突變體由于缺失R基因，D酶活性喪失，不能去除NIC基因的啟動(dòng)子區(qū)的甲基化，導(dǎo)致NIC基因不能轉(zhuǎn)錄，因此對(duì)ABA脅迫更加敏感。

（1）激素作為信息分子對(duì)植物生命活動(dòng)起調(diào)節(jié)作用。

（2）啟動(dòng)子是RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥R基因編碼的D酶能夠切除某些基因啟動(dòng)子區(qū)DNA分子上的甲基基團(tuán)，即DNA去甲基化，從而改變?nèi)旧�質(zhì)結(jié)構(gòu)，使RNA聚合酶能夠與該部分啟動(dòng)子結(jié)合，從而開啟相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。

①根據(jù)圖示結(jié)果可知，與不施加ABA的對(duì)照組相比，ABA濃度為0.9、1.2μM時(shí)，突變體種子萌發(fā)率較野生型明顯降低。推測(cè)R基因突變體由于D酶活性喪失，種子萌發(fā)對(duì)較高濃度的ABA脅迫更加敏感，可能與脅迫響應(yīng)基因啟動(dòng)子的甲基化程度有關(guān)。甲基化程度影響了植物對(duì)ABA的響應(yīng)。

②圖中甲基化程度用數(shù)字表示，絕對(duì)值越大，表明甲基化程度越高，由圖2結(jié)果顯示，突變體和野生型的NIC基因啟動(dòng)子的B、C區(qū)域圖像基本一致，而突變體和野生型NIC基因啟動(dòng)子的圖像不同，由圖中結(jié)果可知，突變體A、D區(qū)域甲基化程度顯著高于野生型。

③結(jié)合上述研究，推測(cè)在種子萌發(fā)過(guò)程中，R基因突變體由于缺失R基因，D酶活性喪失，不能去除NIC基因的啟動(dòng)子區(qū)的甲基化，導(dǎo)致NIC基因不能轉(zhuǎn)錄，因此對(duì)ABA脅迫更加敏感。

（3）①為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述推測(cè)，應(yīng)選取野生型、R基因突變體、NIC基因突變體的擬南芥種子為材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，故Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處分別為野生型、R基因突變體、NIC基因突變體。ABA的濃度為無(wú)關(guān)變量，各組應(yīng)相同，故IV和V處均為1.2，由于NIC基因甲基化程度會(huì)影響基因的轉(zhuǎn)錄，所以因變量應(yīng)檢測(cè)NIC基因轉(zhuǎn)錄的mRNA，即VI處應(yīng)填g。

②綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，推測(cè)種子萌發(fā)率降低的原因?yàn)椋河捎赗基因廣泛影響脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，ABA處理下萌發(fā)率低于野生型；轉(zhuǎn)入持續(xù)表達(dá)的NIC基因，能部分回補(bǔ)ABA敏感萌發(fā)表型，由于脅迫應(yīng)答相關(guān)基因很多，但仍有許多基因功能沒(méi)有得到回補(bǔ)，所以R基因突變體和NIC基因突變體組種子的萌發(fā)率均會(huì)明顯降低。