表观遗传学综合性实验设计与探讨

张向前，李楠，解新明

表观遗传学综合性实验设计与探讨

张向前1，李楠2，解新明1

1. 华南农业大学林学与风景园林学院，广州 510642 2. 华南农业大学基础实验与实践训练中心，广州 510642

表观遗传学是构筑完整的遗传学架构的必要内容，是现代遗传学教学的重点和难点之一。为了使学生更好地掌握这方面知识，本文以科学研究中发现的一个具有表观遗传特性的水稻突变体(,)为实验材料，设计了一个表观遗传学综合性实验。水稻突变体植株变矮、穗长缩短、穗型直立且着粒密度增加。突变机理研究表明，DNA甲基化修饰变异引起过量表达是产生突变表型的原因。该实验以突变体表型观测作为切入点，将科学研究与课程教学、课程实验与开放实验深度融合，向学生展现了一个典型表观遗传学研究课题的完整脉络和前沿技术。通过该实验，学生能对表观遗传学有一个更为直观的认识，可深入理解表型与基因型、表观遗传修饰与基因表达之间的关系，有助于培养学生的科学思维和创新能力。

表观遗传学；综合性实验；实验教学；DNA甲基化

遗传学是探究生物遗传和变异规律的科学，是生命科学领域的基础学科。表观遗传学则是遗传学的重要分支，研究一切非DNA序列改变引起的可遗传变异。表观遗传变异扩大了真核生物的表型多样性，能够对生物的表型和发育进程产生重要影响，可以解释很多经典遗传学所无法解释的现象[1,2]。然而如何突破传统遗传学知识架构，将表观遗传学更好地融入现代遗传学教学中，向学生呈现系统、完整的遗传学知识，是目前教学改革中值得深入思考的问题。

目前，华南农业大学遗传学实验教学中应用的综合性实验，以传授经典遗传学理论知识和实验技能为主的内容较为成熟，且在教学应用上已形成相对稳定的课程实验和课程开放性实验相结合的教学模式，但在知识的深度和广度方面还有提升空间。当前，为适应高等农林教育发展改革的需要，遗传学需开展科教融合人才培养模式探索[3]。拟在已有课程教学内容的基础上，融合科学研究的前沿性和创新性等优势，设计创新、有挑战的新实验项目提升学生实践应用能力和创新研究能力。

华南农业大学科学研究团队从粳稻“中花11”中筛选到一个不完全显性遗传的突变体，该突变杂合体植株略矮而穗长显著变短，命名为()，是一个典型的表观遗传突变体[4]。本文利用该特异材料，设计了一个表观遗传学综合性实验项目。该项目有助于学生对遗传学知识的全面认识和理解，能帮助学生理清表型与基因型、表观遗传修饰与基因表达之间的关系。从技术层面上，通过该实验项目，学生可学习到RT-PCR和甲基化检测等新技术。就教学层面而言，本实验项目着力于培养学生在观察中发现并提出问题，在实践中独立思考并探索解决问题的能力。同时，在自主探究实验中鼓励学生运用已有知识去尝试解决新问题，对培养学生的实际应用和创新研究能力有着重要的实践意义。

1 实验材料的背景与设计思路

稻穗和花序的形态结构对水稻穗型塑造及提高水稻产量有着重要意义。在高等植物中，由表观遗传变异引起稻穗突变的例子有限。本文所述的水稻突变体是1例不完全显性遗传的自然变异突变体。该突变杂合体植株略矮而穗长显著变短，突变纯合体更加矮小，顶端分生组织异常，稻穗分化严重受损。有趣的是，该突变有低频率的自发回复突变现象，因而个别单株的不同分蘖甚至同一稻穗的不同穗分支都可呈现野生型与突变型共存的现象[4]。这些嵌合体表型是表观遗传变异的典型特征，暗示可能是1个表观遗传突变体。水稻突变体可跨代稳定遗传，目前已通过图位克隆(map-based cloning)技术将该基因定位在第1染色体上。进一步研究表明，基因的DNA序列没有改变，而基因的DNA甲基化修饰变异引起过量表达是造成突变体表型的原因[4]。

为使水稻突变体更好的应用于实验教学，课题组进行如下教学设计。首先，与学生一起回顾孟德尔遗传学理论知识，提出“不完全显性遗传会在后代表型中表现出怎样的特征？”，提供给学生突变体与野生型稻穗，引导学生观察表型差异。并对该材料的F1杂合体和F2群体进行表型调查和遗传分析，以阐明突变表型不完全显性遗传现象和低频率的自发回复突变现象，由此提出科学问题与研究方法。其次，在遗传分析的基础上，进一步开展目的基因的图位克隆和候选基因突变位点分析，引导学生分析DNA序列变异和基因表达变化，发现DNA序列无差异而基因表达有差异，有悖于经典的突变，进一步提出可探索的问题。最后，引导学生进入自主探究性实验，独立开展表观遗传修饰与基因表达关系的研究。该实验整个教学设计基于问题引导式教学模式(problem based learning, PBL)，即“观察现象——提出科学研究问题——实践研究问题——分析问题——再实践研究问题——得出科学结论”，实现学生科学研究思维和创新研究能力的培养[5]。

2 教学实验设计

2.1 实验目的

掌握基因图位克隆和RT-PCR技术，了解表观遗传学理论基础及研究方法，探究DNA甲基化修饰与基因表达的关系，提升学生科学思维与创新研究的能力。

2.2 实验涉及理论知识点

该实验涉及的理论知识点主要包括表观遗传学、DNA甲基化修饰、图位克隆等。表观遗传学是研究基因在核苷酸序列不发生改变的情况下，DNA甲基化、基因组印记、组蛋白修饰、染色质重塑及核仁显性等因素的改变，导致基因表达甚至生物表型发生的可遗传变异，是遗传学中非常重要的分支学科。DNA甲基化(DNA methylation)是在动植物体内广泛存在的一种DNA共价修饰形式，在DNA甲基化酶/去甲基化酶的作用下，对DNA的胞嘧啶(C)或腺嘌呤(A)(主要是C)进行甲基化的添加/移除修饰，能够在不改变DNA序列的前提下，改变遗传表现[6～8]。

DNA 甲基化修饰与基因表达调控密切相关。一般来说，DNA序列尤其是基因的启动子区发生甲基化，往往抑制基因表达，而去甲基化则会造成基因过量表达[9,10]。此外，有证据表明，基因下游区段的甲基化状态也参与了基因表达调控[4,11]。

图位克隆又称定位克隆(positional cloning)，该方法利用目标性状分离群体，通过分析目标性状与已知分子标记的遗传连锁关系，“按图索骥”地实现目的基因的初步定位、精细定位、物理作图，直至克隆目的基因[12]。

2.3 实验材料

水稻突变体是来自粳稻品种“中花11”的1例自然变异突变体。该突变体植株略矮而穗长显著变短，呈不完全显性遗传。水稻突变体自2013年发现以来已连续繁殖17个世代，其候选基因()已通过图位克隆策略获得。

将水稻突变体与野生型杂交，并将F1自交获得F2群体(A群体)，以突变体、野生型、F1植株及F2群体的成熟小穗，F2群体对应的水稻叶片作为突变体表型鉴定及遗传特性分析实验材料。将来自与籼稻品种华粳籼74构建的F2群体用作突变体基因定位的分离群体(B群体)。所有材料均种植于华南农业大学农场，单株种植，常规管理。

2.4 实验方法

2.4.1 突变体的鉴定和遗传分析

将学生分组，提供给每组同学野生型、突变纯合体、突变杂合体小穗各3株，先让学生观察和测量表型差异。再提供给学生A群体小穗210株，结合亲本及F1杂合体表型进行遗传分析。配置直尺测量，并运用SPSS18.0软件进行卡方检验和检验。

2.4.2 目的基因的图位克隆和候选基因突变位点分析

选取4对SSR多态性标记和2对Indel (insertion- deletion)标记(表1)，检测B群体200株中突变体表型单株基因型，比较其电泳带型类别，掌握图位克隆中连锁分析的遗传学原理，学习遗传距离的计算方法。随后，结合科学研究结果要求学生进一步分析图位克隆所获得的4个候选基因，鉴定候选基因突变位点。

2.4.3 基因表达分析

通过半定量RT-PCR方法完成基因表达分析，具体步骤如下：提取水稻样品总RNA，琼脂糖凝胶电泳检测RNA 纯度及完整程度，–20℃保存或者直接进行反转录，合成cDNA第一链。以cDNA为模板，设计引物(引物序列见表1)，扩增目的片段，经电泳检测，分析相关基因表达变化。

2.4.4 DNA甲基化分析和甲基化抑制剂处理

DNA甲基化分析：通过亚硫酸氢盐修饰后测序法分析基因甲基化修饰变异情况，方法参照文献[10]，操作步骤简述如下：

(1)用亚硫酸氢盐处理野生型(野生型“中花11”) 和突变体基因组DNA，所有未发生甲基化的胞嘧啶被转化为尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不变；

表1 实验所用引物

(2)设计引物，以处理前后的基因组DNA为模板进行PCR扩增；

(3)将目的片段纯化进行TA克隆，挑选阳性克隆测序；

(4)将用亚硫酸氢盐处理测得的序列与未处理序列比对，统计甲基化位点和数量，并分析野生型和突变体的甲基化差异。

甲基化抑制剂处理：利用甲基化抑制剂5-氮杂-2’-脱氧胞苷(5-Aza-2’-deoxycytidine, 5-aza-dC)处理野生型“中花11”萌发的种子，一周后取样进行表达量分析，具体处理参照Zhang等[10]方法。

3 实验结果与讨论

3.1 水稻esp突变体的表型特征和遗传分析

与野生型“中花11”相比，该突变杂合体植株略矮，而穗长及枝梗长度显著缩短，引起穗粒数减少，而突变纯合体相关表型更加严重，植株明显矮化，顶端分生组织异常，稻穗分化严重受损(图1)。对210株的F2群体(A群体)进行遗传分析，野生型58株，短穗型103株，严重矮杆49株，其分离比例符合1∶2∶1 (χ2= 0.85,>0.05)，表明突变表型为不完全显性遗传。有趣的是，该突变有低频率的自发回复突变现象，因而个别单株不同分蘖甚至同一稻穗的不同的穗分支可呈现野生型与突变型共存的现象(图1)。

3.2 突变基因的图位克隆和候选基因分析

利用与籼稻品种华粳籼74 构建的F2群体(B群体)突变株对进行基因定位，发现与第1染色体上的标记RM140和RM466连锁，遗传距离分别为0.7 cM 和5 cM。利用两标记间发展的Indel标记，已将该基因(突变位点)定位于51.2 kb 区间(图2A)。在这个区间内有4个基因，分别为、、和。为了鉴定突变位点，本实验依据水稻基因组序列数据设计引物，扩增野生型和突变体的目的区段，测序分析表明，在51.2 kb定位区间内没有发现DNA序列的改变。

图1 水稻esp突变体表型特征

图2 ESP基因图位克隆和表达分析

此外，我们对定位区间的4个基因在突变体和野生型中的表达量进行了检测，结果显示，、和这3个基因在突变体中的表达量和野生型相比没有显著差异(数据略)。基因在野生型中几乎检测不到，但是在突变体中其表达水平显著上调，且该基因的表达量在纯合体中高于杂合体(图2B)。以上基因表达分析结果表明，可能是的候选基因。

进一步对突变嵌合体植株(既有正常表型稻穗又有突变表型稻穗的突变体植株)表达量进行分析，结果表明，嵌合体有直立密穗表型的分蘖其基因的表达量高于同一植株上正常表型的分蘖(图2C)。以上结果表明，突变体中的直立密穗表型是由于基因的过量表达所引起，进一步支持就是的候选基因。

3.3 表观遗传修饰与ESP的表达调控

由于基因DNA序列没有改变，但是候选基因的表达量却有极显著的差异，因此，我们推测目的基因可能发生了表观遗传变异。DNA甲基化是最常见的表观遗传变异。为此，本实验通过氢盐分析了甲基化修饰变异情况，结果表明，与野生型(高甲基化状态)相比突变体基因的3′端下游发生了DNA去甲基化，其具体的甲基化变异位点发生在基因下游289～601 bp区间(图3A)。研究表明，DNA去甲基化通常可以导致基因的过量表达[11]。本研究中突变体基因下游区段的去甲基化引起了基因的过量表达，进而导致突变表型，与上述结论相吻合。

5-aza-dC是一种胞苷类似物，能够通过限制DNA甲基转移酶来抑制DNA甲基化，进而调节基因表达。为了进一步阐明基因的表达与甲基化修饰的关系，本实验利用甲基化抑制剂5-aza-dC处理野生型“中花11”幼苗(高甲基化状态)，然后对基因进行表达量分析。结果表明，相比于未处理的幼苗，经甲基化抑制剂5-aza-dC处理的幼苗中，基因的表达量显著上调(图3B)，说明野生型基因下游区段的去甲基化可引起基因的过量表达，是调控基因表达的关键因素，是导致突变表型的原因。

图3 ESP基因DNA甲基化和基因表达分析

4 实践教学中的课堂组织方式

4.1 以科研思路为导向，创新课堂教学方法

本实验主要以科学研究的思路作为教学主线，以有趣的材料表型为切入点，以表型调查、遗传特性分析、图位克隆、DNA甲基化分析及RT-PCR检测技术为学习重点。首先，结合孟德尔遗传定律与不完全显性理论知识，引导学生通过表型观察发现有趣的表型现象，提出科学研究问题；其次，将基因扩增与测序分析相结合，发现基因的DNA序列无差异而基因表达有差异，有悖于经典遗传的突变类型，进一步提出可探索的问题；最后，将课程实验与课程开放实验相结合，引入DNA甲基化理论知识和RT-PCR技术，引导学生运用科学研究的思维和方法分析突变的本质原因，帮助学生理清表型与基因型、基因修饰与基因表达的内在联系，学会科学研究的思维方法与技术手段，提升理论与实践、知识与技术的整合运用能力。

本部分共4次课的课程实验内容，每周1次课，每次课4个学时。

(1)突变体鉴定及遗传特性分析1次课

首先结合孟德尔遗传学理论知识，和学生探讨遗传分析方法与不完全显性现象。抛出一个问题“不完全显性遗传会在后代表型中如何表现？”让学生结合突变体、野生型及F1杂合体稻穗材料进行观察，发现三者在稻穗长度与形态上的差异。再次提供给每组学生200株F2群体(A群体)的小穗进行遗传分析，提醒学生留意观察嵌合突变体表型，通过与常规变异相比较引导学生总结出突变体表型特征(表型的可逆性)，并独立提出科学研究问题。

(2)基因定位和候选基因突变位点分析2次课

第一次课：水稻叶片DNA和幼穗RNA提取。结合遗传学中遗传物质的分子基础章节知识，讲授基因定位方法和RNA提取技术。引导学生提取亲本、杂合体及F2群体中突变纯合体的DNA和RNA。

第二次课：讲解分子标记在实践中的设计与应用，学会分析电泳和测序结果。用已提取的基因定位群体DNA为模板，比较6对标记带型，掌握基因定位的本质—标记与表型的连锁分析。待学生完成标记连锁分析后，结合研究结果，教师向学生揭示该突变基因的位置。引导学生学会分析突变体和野生型候选基因测序结果，并启迪学生思考“候选基因DNA序列无改变而引起表型变异的可能原因”。

(3)候选基因表达分析1次课

重点结合基因表达与转录理论知识点，讲解反转录方法和RT-PCR技术。用上次课提取的RNA为模板开展实验，要求学生以野生型和突变体幼穗为材料分组独立完成定位区间4个候选基因表达分析。通过该实验学生会发现候选基因的表达量有着极显著的差异，由此可以引导学生推测目的基因可能发生了表观遗传变异。结合表观遗传变异的理论知识点，和学生开展表观遗传变异的讨论与思考。

4.2 引导学生进入自主探究性实验

通过以上实验，已为学生打开表观遗传学研究的大门。如何引领学生进一步独立探索引起该表型变异的核心原因，是该研究型实验教学的重点和难点之一。在接下来的自主探究性实验中，将采用任务驱动和自主学习相结合的方法，以学生为主体，引导学生进行文献查阅、自主设计实验方案、独立开展相关实验，以培养学生的独立思考与探索研究能力。具体教学方法如下：

首先老师向学生提出问题：表观遗传学修饰有哪些？应该先从哪里入手开展研究？让学生带着问题去查阅文献资料，了解表观遗传修饰的类型及其研究方法。并引导学生总结分析前人研究结果，通过比较各种表观遗传修饰，理解DNA甲基化是植物基因组DNA最常见的一种表观遗传修饰，是维持基因组稳定性的主要手段，在调节植物发育中起着重要作用，让学生应用科学研究思维去推测发生DNA甲基化的可能性。

确定DNA甲基化修饰研究方向后，需要学生理清DNA甲基化修饰与基因表达的关系，因此要求学生查阅前沿研究成果，例如Ichino等[13]发表的最新研究论文，帮助学生了解DNA甲基化介导基因沉默的发生与维持的机制等。在此基础上，学生需思考如何开展DNA甲基化修饰变异研究，并提出DNA甲基化检测可供选择的方案(例如甲基化特异性PCR、氢盐测序法或全基因组的甲基化分析)，通过比较分析，选用其中一种方法开展研究。在此过程中，教师需及时跟进、解疑答惑，并做好引导。教学实践表明，大部分学生会优先考虑氢盐测序法鉴定DNA甲基化修饰。

确定该方法后，师生共同讨论并完善实验方案，开展DNA甲基化研究。在该研究方案中因氢盐处理样品及其后续产物，需根据实际教学学时数进行调整，如果时间充裕，会引导学生完成该实验。若时间有限，至少需让学生氢盐发现甲基化位点，分析野生型和突变体的甲基化差异。教学实践表明，在完成甲基化变异位点分析后，大多数学生对DNA甲基化修饰程度与基因表达活性呈反比关系都会有较好的把握，但是对DNA甲基化发生位点的总结多有疏漏，如对基因启动子区DNA甲基化修饰影响基因表达活性容易理解，而对基因下游DNA甲基化修饰与基因表达调控关注不多，会对本文的研究结果存疑。鉴于此，教师可提出下一步研究问题“如何证实突变体中DNA去甲基化修饰是基因高表达的原因”。

为了进一步阐明基因的表达与甲基化修饰的关系，还需引导学生从突变体自身特点入手，讨论表达调控的实验方案。本文的突变体是1例自然变异突变体，相较与野生型基因的高甲基化修饰状态，突变体中位点是低甲基化修饰(去甲基化)。因此如果通过某种途径人工创制变异，将野生型的高甲基化修饰转变为低甲基化状态，那么野生型的基因表达水平亦会随之改变。学生经过分析，思路会更加清晰，通过查阅文献，会选择甲基化抑制剂处理野生型，并通过基因表达分析，验证假设。正如预期，在甲基化抑制剂处理的幼苗中，基因的表达量显著上调(图3B)，表明基因甲基化是导致突变表型的原因。另外，由于基因具有长链非编码RNA (long noncoding RNA, lncRNA)属性，其甲基化区段是典型的CpG island，仍有很多值得学生进一步探索和思考的科学问题。

5 表观遗传在遗传学案例教学中的思考

科研与教学是紧密结合并相互促进的，科研的研究思路和前沿信息，常常被带入教学中激发学生对遗传学理论知识的学习兴趣，培养学生的科学研究能力和知识应用能力[14]。本实验在进行科教融合的实验设计中，发现有几个问题值得探讨。表观遗传学教学无论是从材料的特异性要求，还是知识的广度深度上，都是遗传学教学中的一个难点。首先，在表观遗传学实验设计中材料是关键，典型的材料可以将复杂的表观遗传学知识形象化和简单化，更有利于学生深刻的理清表型与基因型、基因修饰与基因表达的本质联系。其次，在当前的基础课程之上，如何能更好的帮助学生拓宽知识深度与广度，提升学生的知识整合与应用能力，实验的巧妙设计非常关键。该实验在目的基因克隆及候选基因突变位点分析中，为下一步表观遗传学研究埋下了伏笔，即引导学生发现基因的DNA序列未发生改变，而通过基因表达分析，发现基因在突变体中表达显著提高，以推测目的基因可能发生了表观遗传变异。同时，为了培养学生严谨、勤思、独立创新的科学研究习惯，特结合课程开放实验平台，设计了自主探索性实验。学生通过自主探索性实验，不仅可检验学生对已学知识的灵活运用能力，且能大大改观学生对科学研究高不可攀的心理，增强研究的自信。

考虑到实验学时数的限制，本试验方案简化了图位克隆实验，然而在该实验中有2个关键知识点需提醒学生注意：(1)正确选配亲本，构建基因定位分离群体。一般来讲，除突变体作为亲本外，有别于表型遗传分析时的亲本选择，构建基因定位分离群体需要选择与突变体遗传差异大的材料为另一亲本，以便定位分析时有数量充足、类型多样的多态性标记供选择。比如本文中突变体来自粳稻品种“中花11”，那么另一亲本选择了一个籼稻品种“华粳籼74”；(2)正确选择基因定位分离群体中表型单株类型，进行连锁分析。对于典型的隐性突变基因定位而言，选择分离群体中的突变体表型单株开展连锁分析即可(可与学生讨论野生型单株不作为连锁分析的原因，进一步提出如果是显性突变如何选择表型单株呢？不完全显性突变又该作何选择？)。深刻理解上述2点的前提，就是要求学生必须深刻理解基因定位(或图位克隆)的遗传学本质—分子标记(基因型)与表型的连锁分析。此外，由于DNA甲基化位点鉴定实验的难度较大且周期偏长，受限于教学时数，本实验方案仅要求学生通过已测序列进行DNA甲基化位点分析。但为保证研究思路和方法的完整性，需要求学生了解亚硫酸氢盐测序法检测基因组DNA甲基化的基本原理和基本步骤。

多年的实践教学表明，在遗传学教学实践中选取典型的遗传突变材料开展综合性实验是学生深入掌握相关知识的有效途径，也是汲取最新的研究成果积极引导学生进行创新思维，开阔学生思路的有效途径。

[1] Allis CD, Jenuwein T, Reinberg D, Reinberg D, Caparros M. Epigenetics. Zhu B, Sun FL, translate. Beijing: Science Press, 2009, 29–73.Allis CD, Jenuwein T, Reinberg D, Reinberg D, Caparros M. 表观遗传学. 朱冰, 孙方霖, 主译. 北京:科学出版社, 2009, 29–73.

[2] Cao GL, Wang M, Zhu MX, Liu WQ. Comprehensive application of professional English literature reading, concept diagram and flipped classroom inteaching., 2021, 42(2): 125–128.曹贵玲, 王猛, 朱明霞, 刘文强. 英文文献研读、概念图和翻转课堂在表观遗传学课程教学中的综合应用. 畜牧与饲料科学, 2021, 42(2): 125–128.

[3] An Ji Consensus—Declaration of new agricultural con­struction in China., 2019, 20(3): 105–106.安吉共识——中国新农科建设宣言. 中国农业教育, 2019, 20(3): 105–106.

[4] Luan X, Liu SC, Ke SW, Dai H, Xie XM, Hsieh TF, Zhang XQ. Epigenetic modification of, encoding a putative long noncoding RNA, affects panicle architecture in rice., 2019, 12(1): 20.

[5] Liu ZQ, Zhao YX, Fu XL, Li N. Design and exploration of genetic experiments for non-Mendelian segregation., 2019, 41(3): 262–270.刘自强, 赵苑秀, 傅雪琳, 李楠. 偏孟德尔分离的遗传学实验设计与探讨. 遗传, 2019, 41(3): 262–270.

[6] Zhang MM, Zheng QS, Li X, Tan MP. Research progress of DNA methylation in plant response to stress., 2021, 57(4): 780–792.张嫚嫚, 郑青松, 李霞, 谭明谱. DNA甲基化在植物响应胁迫中的研究进展. 植物生理学报, 2021, 57(4): 780–792.

[7] Riehards EJ. DNA methylation and plant development., 1997, 13(8): 319–323.

[8] Cao X, Jacobsen SE. Role of theDRM methyltransferases inDNA methylation and gene silencing., 2002, 12(13): 1138–1144.

[9] Jacobsen SE, Meyerowitz EM. Hypermethylatedepigenetic alleles in., 1997, 277(5329): 1100–1103.

[10] Zhang XQ, Sun J, Cao XF, Song XW. Epigenetic mutation ofaffects leaf angle and seed size in rice., 2015, 169(3): 2118–2128.

[11] Li X, Zhu JD, Hu FY, Ge S, Ye MZ, Xiang H, Zhang GJ, Zheng XM, Zhang HY, Zhang SL, Li Q, Luo RB, Yu C, Yu J, Sun JF, Zou XY, Cao XF, Xie XF, Wang J, Wang W. Single-base resolution maps of cultivated and wild rice methylomes and regulatory roles of DNA methylation in plant gene expression., 2012, 13: 300.

[12] He JP, Ruan SL, Zhu SJ, Ma HS. The application and evaluation of map-based gene isolation in crops., 2010, 32(9): 903–913.何俊平, 阮松林, 祝水金, 马华升. 图位克隆技术在农作物基因分离中的应用与评价. 遗传, 2010, 32(9): 903– 913.

[13] Ichino L, Boone BA, Strauskulage L, Harris CJ, Kaur G, Gladstone MA, Tan M, Feng SH, Jami-Alahmadi Y, Duttke SH, Wohlschlegel JA, Cheng XD, Redding S, Jacobsen SE. MBD5 and MBD6 couple DNA methylation to gene silencing through the J-domain protein SILENZIO., 2021,372(6549): 1434–1439.

[14] Li N, Guo HB, Li YJ, Lao MM. Design and practice of comprehensive experiment for cytogenetics., 2019, 38(9): 200–203, 227.李楠, 郭海滨, 李亚娟, 劳媚媚. 细胞遗传学综合性实验的设计与实践. 实验室研究与探索, 2019, 38(9): 200– 203, 227.

Design and exploration of epigenetic comprehensive experiments

Xiangqian Zhang1, Nan Li2, Xinming Xie1

Epigenetics is the necessary content to constitute a complete genetic framework, and has become one of the focuses and difficulties of modern genetics education. Here we design a comprehensive experiment for epigenetics by utilizing a rice() mutant identified previously in our research project. Themutants show a shortened and compressed panicle phenotype, which is associated with hypomethylation in the transcriptional termination region ofgene, causingoverexpression in themutants. This experiment uses mutant phenotypic observation as a starting point, integrates scientific research and course teaching, course experiment and open experiment, and demonstrates to students the full picture of a typical epigenetic science research and leading technology. The comprehensive experiment will deepen students’ understanding of the relationship between phenotypes and genotypes, epigenetic modification and gene expression, and help them master the effective way of thinking for scientific research to further improve their ability of innovative abilities.

epigenetics; comprehensive experiment; experimental teaching; DNA methylation

2021-08-10;

2021-10-10

国家自然科学基金面上项目(编号：31671594)和华南农业大学教学改革与研究项目(编号：JG19104, JG20046)资助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31671594) and Teaching Reform and Research Projects of South China Agricultural University (Nos. JG19104, JG20046)]

张向前，博士，教授，研究方向：植物分子育种。E-mail: aacrav@163.com

10.16288/j.yczz.21-294

2021/10/22 14:57:56

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.r.20211021.1708.002.html

(责任编委: 陈德富)