Question

【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：____。

Answer 1

【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。