题目内容
【题目】植物在遇到不良环境影响时,会引起系列胁迫响应相关基因的表达改变,这一过程称为胁迫响应。而胁迫相关基因的转录与其启动子区DNA分子的甲基化修饰(DNA分子上连入甲基基团)密切相关。为研究植物种子萌发过程中的胁迫响应机制,科研人员进行了相关研究。
(1)ABA是一种植物激素,作为____分子,对植物生命活动起_____作用。当植物处于胁迫状态时,体内ABA含量会升高,ABA处理可模拟外界不良环境,使植物产生胁迫响应。
(2)研究发现,拟南芥R基因编码的D酶能够切除某些基因启动子区DNA分子上的甲基基团,即DNA去甲基化,从而改变染色质结构,使_____酶能够与该部分启动子结合,从而开启相关基因的转录。
①科研人员以R基因突变体及野生型拟南芥种子为材料,用不同浓度ABA进行处理,统计种子萌发率,所得实验结果如图1所示。
实验结果显示,______,推测R基因突变体由于D酶活性丧失,种子萌发对较高浓度的ABA胁迫更加敏感,可能与胁迫响应基因启动子的甲基化程度有关。甲基化程度影响了植物对ABA的响应。
②研究发现NIC基因是胁迫条件下种子萌发所需的关键基因之一。科研人员检测了1.2μM ABA处理后,拟南芥R基因突变体及野生型种子中NIC基因启动子不同区域的DNA甲基化程度,结果如图2所示。
(注:图中甲基化程度用数字表示,绝对值越大,表明甲基化程度越高。DNA中一条单链的甲基化程度用0~1表示,另一条用-1~0表示。)
图2结果显示,突变体NIC基因启动子的A、D区域___。
③结合上述研究,推测在种子萌发过程中,R基因突变体由于________,因此对ABA胁迫更加敏感。
(3)科研人员进一步选取不同拟南芥种子为材料验证了上述推测。
①实验处理及结果如下表所示,请选择a~f中的种子填入Ⅰ~Ⅲ处,在IV、V处填写正确的ABA处理浓度,选择检测指标g、h填入VI处。
组别 | 种子 | ABA浓度(μM) | 检测指标 | 萌发率 |
1组 | I__ | IV__ | VI__ | 80% |
2组 | II__ | 1.2 | 10% | |
3组 | III__ | V__ | 65% |
种子类型:
a. 野生型
b. R基因突变体
c. NIC基因突变体
d. R基因突变体中转入含无甲基化修饰启动子的NIC基因
e. 野生型中转入含无甲基化修饰启动子的NIC基因
f . NIC基因突变体中转入含无甲基化修饰启动子的R基因检测指标:
g. NIC基因转录的mRNA
h. R基因转录的mRNA
②请解释表中各组实验的萌发率结果:____。
【答案】信息 调节 RNA聚合 ABA浓度为0.9、1.2μM时,突变体种子萌发率较野生型明显降低 甲基化程度显著高于野生型 缺失R基因,D酶活性丧失,不能去除NIC基因的启动子区的甲基化,导致NIC基因不能转录(转录降低) a b d 1.2 1.2 g R基因广泛影响胁迫相关基因的表达,ABA处理下萌发率低于野生型;转入持续表达的NIC基因,能部分回补ABA敏感萌发表型,由于胁迫应答相关基因很多,但仍有许多基因功能没有得到回补
【解析】
由题意可知胁迫相关基因的转录与其启动子区DNA分子的甲基化修饰(DNA分子上连入甲基基团)密切相关,当启动子DNA分子得人甲基化程度越高时,基因的转录受到的抑制程度越大。当植物处于胁迫状态时,体内ABA含量会升高,ABA处理可模拟外界不良环境,使植物产生胁迫响应。所以不同浓度的ABA处理可表示不同程度的不良环境,根据图1可知,在ABA浓度较高时,R基因突变体种子萌发率明显小于野生型,且随着ABA浓度的增加,种子萌发受抑制的程度更大。研究发现NIC基因是胁迫条件下种子萌发所需的关键基因之一,由图2可知,突变体NIC基因启动子的A、D区域甲基化程度显著高于野生型,据此推测在种子萌发过程中,R基因突变体由于缺失R基因,D酶活性丧失,不能去除NIC基因的启动子区的甲基化,导致NIC基因不能转录,因此对ABA胁迫更加敏感。
(1)激素作为信息分子对植物生命活动起调节作用。
(2)启动子是RNA聚合酶的结合位点,研究发现,拟南芥R基因编码的D酶能够切除某些基因启动子区DNA分子上的甲基基团,即DNA去甲基化,从而改变染色质结构,使RNA聚合酶能够与该部分启动子结合,从而开启相关基因的转录。
①根据图示结果可知,与不施加ABA的对照组相比,ABA浓度为0.9、1.2μM时,突变体种子萌发率较野生型明显降低。推测R基因突变体由于D酶活性丧失,种子萌发对较高浓度的ABA胁迫更加敏感,可能与胁迫响应基因启动子的甲基化程度有关。甲基化程度影响了植物对ABA的响应。
②图中甲基化程度用数字表示,绝对值越大,表明甲基化程度越高,由图2结果显示,突变体和野生型的NIC基因启动子的B、C区域图像基本一致,而突变体和野生型NIC基因启动子的图像不同,由图中结果可知,突变体A、D区域甲基化程度显著高于野生型。
③结合上述研究,推测在种子萌发过程中,R基因突变体由于缺失R基因,D酶活性丧失,不能去除NIC基因的启动子区的甲基化,导致NIC基因不能转录,因此对ABA胁迫更加敏感。
(3)①为了进一步验证上述推测,应选取野生型、R基因突变体、NIC基因突变体的拟南芥种子为材料进行实验,故Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处分别为野生型、R基因突变体、NIC基因突变体。ABA的浓度为无关变量,各组应相同,故IV和V处均为1.2,由于NIC基因甲基化程度会影响基因的转录,所以因变量应检测NIC基因转录的mRNA,即VI处应填g。
②综合上述实验结果可知,推测种子萌发率降低的原因为:由于R基因广泛影响胁迫相关基因的表达,ABA处理下萌发率低于野生型;转入持续表达的NIC基因,能部分回补ABA敏感萌发表型,由于胁迫应答相关基因很多,但仍有许多基因功能没有得到回补,所以R基因突变体和NIC基因突变体组种子的萌发率均会明显降低。
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