2025年大學(xué)《生物技術(shù)》專業(yè)題庫——植物基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在產(chǎn)量調(diào)控中的作用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(GeneRegulatoryNetwork,GRN)2.產(chǎn)量構(gòu)成因素(YieldComponentFactors)3.轉(zhuǎn)錄因子(TranscriptionFactor,TF)4.激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(HormoneSignalingTransduction)5.組蛋白修飾(HistoneModification)二、填空題（每空1分，共10分）1.植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成是受復(fù)雜調(diào)控的遺傳性狀，其中基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在其中扮演著核心角色，其調(diào)控層次包括________、________和________水平。2.光照信號(hào)通過________、________和________等途徑傳遞，最終影響植物的光合作用、形態(tài)建成和________等關(guān)鍵生理過程，進(jìn)而調(diào)控產(chǎn)量。3.生長(zhǎng)素、赤霉素和細(xì)胞分裂素是調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要植物激素，它們之間存在著復(fù)雜的________、________和________關(guān)系。4.脫落酸在調(diào)控植物脅迫響應(yīng)和________（如種子休眠、葉片衰老）中起著關(guān)鍵作用，其合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程受到多種基因的精細(xì)調(diào)控。5.轉(zhuǎn)錄因子通常通過識(shí)別并結(jié)合靶基因的________序列來調(diào)控基因表達(dá)，是構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的基本單元。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述植物基因表達(dá)調(diào)控的主要層次及其意義。2.概述生長(zhǎng)素如何影響植物根系和莖端分生組織的生長(zhǎng)，并最終影響產(chǎn)量。3.簡(jiǎn)述表觀遺傳修飾（以DNA甲基化和組蛋白修飾為例）在植物基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的作用機(jī)制。4.簡(jiǎn)述利用分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）技術(shù)改良作物產(chǎn)量構(gòu)成的原理。四、論述題（每題10分，共20分）1.詳細(xì)闡述赤霉素調(diào)控種子萌發(fā)和莖伸長(zhǎng)的分子機(jī)制，并說明該機(jī)制如何影響作物的生育期和產(chǎn)量潛力。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述解析關(guān)鍵農(nóng)藝性狀（如籽粒大小或產(chǎn)量）形成的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)作物遺傳改良的意義和挑戰(zhàn)。試卷答案一、名詞解釋1.基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(GeneRegulatoryNetwork,GRN):指由基因、蛋白質(zhì)（如轉(zhuǎn)錄因子）等分子以及它們之間的相互作用構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)調(diào)控基因表達(dá)的時(shí)間和空間模式，從而控制細(xì)胞行為、組織發(fā)育和個(gè)體性狀。2.產(chǎn)量構(gòu)成因素(YieldComponentFactors):指影響最終作物產(chǎn)量形成的各個(gè)生物學(xué)參數(shù)，通常包括單位面積上的有效穗數(shù)（或株數(shù)）、每穗（或每株）的結(jié)實(shí)數(shù)（如花數(shù)、粒數(shù)）以及每粒（或每個(gè)）籽實(shí)的重量（千粒重或單株產(chǎn)量）等。3.轉(zhuǎn)錄因子(TranscriptionFactor,TF):指能夠結(jié)合到特定DNA序列（順式作用元件）上，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄速率的蛋白質(zhì)。轉(zhuǎn)錄因子是基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn)，能夠啟動(dòng)或抑制下游基因的表達(dá)。4.激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(HormoneSignalingTransduction):指植物體內(nèi)激素（如生長(zhǎng)素、赤霉素、脫落酸等）產(chǎn)生信號(hào)，并通過一系列分子事件（如受體識(shí)別、第二信使產(chǎn)生、蛋白磷酸化/去磷酸化等）將信號(hào)傳遞至細(xì)胞內(nèi)部，最終導(dǎo)致特定基因表達(dá)改變或細(xì)胞響應(yīng)的發(fā)生的生物學(xué)過程。5.組蛋白修飾(HistoneModification):指對(duì)組蛋白（包裹DNA的蛋白質(zhì)）進(jìn)行化學(xué)修飾（如乙?；⒓谆?、磷酸化等）的過程。這些修飾可以改變?nèi)旧|(zhì)的構(gòu)象（松散或緊密），從而影響DNA的轉(zhuǎn)錄活性，是表觀遺傳調(diào)控基因表達(dá)的重要機(jī)制之一。二、填空題1.基因表達(dá)、蛋白質(zhì)表達(dá)/翻譯、代謝/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)2.光敏色素、紫外光受體、藍(lán)光受體、開花時(shí)間3.協(xié)同作用、競(jìng)爭(zhēng)作用、拮抗作用4.生長(zhǎng)發(fā)育5.啟動(dòng)子/增強(qiáng)子三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述植物基因表達(dá)調(diào)控的主要層次及其意義。*答案：植物基因表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在三個(gè)層次：轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平（包括翻譯水平和RNA降解水平）和翻譯后水平。*轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控：通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始的頻率、效率或持續(xù)時(shí)間。主要機(jī)制包括轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)修飾（如組蛋白修飾、DNA甲基化）等。這是最基本和關(guān)鍵的調(diào)控層次。*轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控：包括mRNA的選擇性剪接、穩(wěn)定性、運(yùn)輸和翻譯。例如，mRNA降解酶可以加速mRNA降解，影響蛋白產(chǎn)量；mRNA的核質(zhì)運(yùn)輸決定了蛋白合成場(chǎng)所。*翻譯水平調(diào)控：通過調(diào)控核糖體與mRNA的結(jié)合、翻譯起始、延伸或終止。例如，mRNA的帽結(jié)構(gòu)、多聚A尾、序列元件都能影響翻譯效率。*翻譯后水平調(diào)控：指蛋白質(zhì)合成后進(jìn)行的各種修飾，如磷酸化、乙酰化、泛素化、剪切等，這些修飾可以改變蛋白質(zhì)的活性、穩(wěn)定性或亞細(xì)胞定位。*解析思路：首先明確基因表達(dá)調(diào)控涉及多個(gè)層面。然后分別詳細(xì)說明每個(gè)層面的主要機(jī)制。最后強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)錄水平是核心，并簡(jiǎn)要說明各層次調(diào)控的意義（如精細(xì)調(diào)控基因表達(dá)、快速響應(yīng)環(huán)境變化等）。2.概述生長(zhǎng)素如何影響植物根系和莖端分生組織的生長(zhǎng)，并最終影響產(chǎn)量。*答案：生長(zhǎng)素（IAA）通過其信號(hào)通路（如Auxin/Indole-3-AceticAcid,AIAA轉(zhuǎn)錄因子）影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而調(diào)控產(chǎn)量。*對(duì)根系生長(zhǎng)的影響：生長(zhǎng)素在根尖的分布不均形成了極性，導(dǎo)致細(xì)胞elongation的差異。高濃度生長(zhǎng)素促進(jìn)近根尖區(qū)域的細(xì)胞縱向伸長(zhǎng)，使根尖彎曲向下生長(zhǎng)（向地性）；同時(shí)，生長(zhǎng)素抑制側(cè)根原始體的形成，并促進(jìn)根冠細(xì)胞分裂，調(diào)控根系整體形態(tài)。根系深扎和廣展有助于吸收水分和養(yǎng)分，是決定作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)。*對(duì)莖端分生組織（頂端分生組織，STM）的影響：生長(zhǎng)素抑制STM的細(xì)胞分裂，但促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)。生長(zhǎng)素通過調(diào)控STM周圍區(qū)域的基因表達(dá)（如調(diào)控葉原基分化的基因），決定芽的分化和葉片的排列方式（葉序）。莖的粗壯和高度是作物產(chǎn)量的重要組成部分。*解析思路：從生長(zhǎng)素的作用部位（根尖和莖尖）入手。分別闡述生長(zhǎng)素如何通過濃度梯度影響根尖細(xì)胞的伸長(zhǎng)和側(cè)根發(fā)生，以及如何通過抑制STM分裂促進(jìn)莖的伸長(zhǎng)和調(diào)控葉片分化。最后將根系和莖的生長(zhǎng)與產(chǎn)量構(gòu)成因素（吸收能力、光合面積、植株高度）聯(lián)系起來。3.簡(jiǎn)述表觀遺傳修飾（以DNA甲基化和組蛋白修飾為例）在植物基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的作用機(jī)制。*答案：表觀遺傳修飾不改變DNA序列，但可以調(diào)控基因的表達(dá)狀態(tài)，在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。*DNA甲基化：通常在基因啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生，以5'-CpG-3'位點(diǎn)為主。DNA甲基化（通常是加甲基基團(tuán)）通常與基因沉默相關(guān)，可以通過阻止轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合或招募抑制性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)來降低基因轉(zhuǎn)錄活性。它可以是穩(wěn)定的，通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）添加，也可以是動(dòng)態(tài)的可逆的。DNA甲基化可以單獨(dú)作用，也可以與組蛋白修飾協(xié)同作用。*組蛋白修飾：組蛋白是DNA包裝蛋白。通過組蛋白乙?；ㄓ梢阴＾D(zhuǎn)移酶HAT添加乙酰基）、甲基化（由甲基轉(zhuǎn)移酶HMT添加甲基基團(tuán)）、磷酸化等修飾，可以改變?nèi)旧|(zhì)的松緊程度（表觀遺傳狀態(tài)）。例如，組蛋白H3的Lysine4乙?；℉3K4ac）通常與活躍的染色質(zhì)和基因激活相關(guān)；而H3K9或H3K27的甲基化則通常與基因沉默相關(guān)。這些修飾可以影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響轉(zhuǎn)錄機(jī)器的接近和基因表達(dá)。*解析思路：首先說明表觀遺傳修飾的特點(diǎn)（不改變DNA序列但影響表達(dá)）。然后分別解釋DNA甲基化和組蛋白修飾的主要類型、發(fā)生位置及其對(duì)基因表達(dá)（激活或抑制）的影響機(jī)制。強(qiáng)調(diào)它們?nèi)绾瓮ㄟ^改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)來調(diào)控基因表達(dá)，并提及它們可能協(xié)同作用。4.簡(jiǎn)述利用分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）技術(shù)改良作物產(chǎn)量構(gòu)成的原理。*答案：分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）技術(shù)利用與目標(biāo)產(chǎn)量性狀緊密連鎖的DNA分子標(biāo)記，對(duì)攜帶這些標(biāo)記的個(gè)體進(jìn)行早期篩選，從而加速育種進(jìn)程。*原理：許多與產(chǎn)量構(gòu)成因素（如穗數(shù)、粒數(shù)、粒重）相關(guān)的基因受多基因控制，且這些基因可能位于低豐度或難以檢測(cè)的染色體區(qū)域。MAS可以識(shí)別與這些復(fù)雜性狀相關(guān)聯(lián)的、穩(wěn)定遺傳的分子標(biāo)記。如果標(biāo)記與目標(biāo)性狀存在連鎖，那么檢測(cè)到該標(biāo)記的個(gè)體很可能也攜帶控制優(yōu)良產(chǎn)量性狀的基因。*過程：首先鑒定出與高產(chǎn)相關(guān)的QTL（數(shù)量性狀位點(diǎn)）或主效基因，并開發(fā)出相應(yīng)的分子標(biāo)記。然后在育種材料的早期世代（如F2、F3）中進(jìn)行標(biāo)記檢測(cè)，篩選出同時(shí)攜帶目標(biāo)產(chǎn)量性狀標(biāo)記和優(yōu)良農(nóng)藝性狀（抗病、抗逆等）標(biāo)記的個(gè)體進(jìn)行后續(xù)繁育。*優(yōu)勢(shì)：可以在種子形態(tài)和表型穩(wěn)定之前進(jìn)行早期選擇，大大縮短育種年限；可以克服表型鑒定的困難（如隱性基因、低豐度基因、環(huán)境影響）；可以聚合多個(gè)優(yōu)良性狀。*解析思路：先解釋什么是MAS及其目的（加速育種、選擇攜帶優(yōu)良基因的個(gè)體）。然后說明其核心原理（利用標(biāo)記與目標(biāo)基因的連鎖關(guān)系進(jìn)行間接選擇）。接著簡(jiǎn)述MAS的實(shí)施步驟（QTL/基因定位、標(biāo)記開發(fā)、早期世代篩選）。最后總結(jié)其相比傳統(tǒng)育種的優(yōu)點(diǎn)。四、論述題1.詳細(xì)闡述赤霉素調(diào)控種子萌發(fā)和莖伸長(zhǎng)的分子機(jī)制，并說明該機(jī)制如何影響作物的生育期和產(chǎn)量潛力。*答案：*赤霉素調(diào)控種子萌發(fā)的機(jī)制：赤霉素（GA）在種子萌發(fā)中起關(guān)鍵作用。萌發(fā)需要胚突破種皮。GA激活在萌發(fā)種子中，通過降解脫落酸（ABA）合成的前體或抑制ABA合成來降低ABA水平。低ABA/高GA比例促進(jìn)萌發(fā)。GA通過其受體（GID1蛋白）結(jié)合，激活下游信號(hào)通路。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括GA誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子RGA/LIGHT-REGULATEDTRANSCRIPTIONFACTORIII(LTF3)的表達(dá)，RGA/LTF3抑制ABA信號(hào)通路中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子ABI5的活性。同時(shí)，GA促進(jìn)α-淀粉酶和脂肪酶等水解酶的合成，分解儲(chǔ)存的淀粉和脂肪，為胚提供萌發(fā)能量和物質(zhì)。此外，GA還調(diào)控種皮結(jié)構(gòu)的分解。*赤霉素調(diào)控莖伸長(zhǎng)的機(jī)制：GA誘導(dǎo)細(xì)胞伸長(zhǎng)是莖快速生長(zhǎng)的關(guān)鍵。主要機(jī)制包括：GA激活生長(zhǎng)素（IAA）的合成和運(yùn)輸，生長(zhǎng)素是調(diào)控細(xì)胞伸長(zhǎng)的關(guān)鍵信號(hào)；GA直接誘導(dǎo)負(fù)責(zé)細(xì)胞壁延展酶（如擴(kuò)展蛋白、纖維素合酶）合成的基因表達(dá)，這些酶降解和重塑細(xì)胞壁，使細(xì)胞能夠伸長(zhǎng)；GA調(diào)控細(xì)胞分裂素的合成和運(yùn)輸，細(xì)胞分裂素促進(jìn)細(xì)胞分裂，與GA協(xié)同促進(jìn)莖的增粗和分枝。*對(duì)生育期和產(chǎn)量潛力的影響：GA促進(jìn)種子萌發(fā)，有助于作物及時(shí)出苗，抓住生長(zhǎng)季節(jié)。GA誘導(dǎo)莖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，增加冠層體積和光合面積，有利于光合產(chǎn)物的積累。GA還能促進(jìn)某些作物（如小麥、大麥）的穗發(fā)芽，即抽穗后子房繼續(xù)發(fā)育形成籽粒，但這可能影響正常開花結(jié)實(shí)。通過調(diào)控營(yíng)養(yǎng)器官（莖葉）的生長(zhǎng)，GA直接影響作物的生物量積累，從而影響最終產(chǎn)量潛力。此外，GA還參與調(diào)控開花時(shí)間（如通過促進(jìn)光周期途徑或春化途徑），間接影響生育期和產(chǎn)量。*解析思路：分為兩個(gè)部分：種子萌發(fā)和莖伸長(zhǎng)。對(duì)每個(gè)部分，首先說明GA的主要作用和最終目標(biāo)。然后詳細(xì)闡述涉及的關(guān)鍵信號(hào)通路、核心轉(zhuǎn)錄因子（如RGA/LTF3,ABI5）、下游效應(yīng)分子（如α-淀粉酶、生長(zhǎng)素、延展酶）以及相關(guān)的生理過程（如ABA代謝、細(xì)胞壁變化）。最后，將這些機(jī)制與其對(duì)作物萌發(fā)時(shí)間、莖的高度/粗度、生物量積累以及生育期（包括開花）的影響聯(lián)系起來，說明其對(duì)產(chǎn)量的整體作用。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述解析關(guān)鍵農(nóng)藝性狀（如籽粒大小或產(chǎn)量）形成的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)作物遺傳改良的意義和挑戰(zhàn)。*答案：*解析GRN對(duì)遺傳改良的意義：*深入理解性狀形成機(jī)制：解析GRN有助于揭示控制復(fù)雜性狀（如籽粒大?。┑倪z傳基礎(chǔ)和生理過程。例如，通過研究籽粒大小形成的GRN，可以發(fā)現(xiàn)控制細(xì)胞分裂、細(xì)胞膨大、淀粉積累、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)等關(guān)鍵步驟的基因及其相互作用。*識(shí)別關(guān)鍵改良節(jié)點(diǎn)：GRN分析可以定位網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn)（如核心轉(zhuǎn)錄因子、關(guān)鍵信號(hào)分子）或瓶頸環(huán)節(jié)。這些節(jié)點(diǎn)往往是潛在的遺傳改良靶點(diǎn)。例如，在水稻中，OsSPL14等轉(zhuǎn)錄因子被證明是調(diào)控籽粒大小的重要節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行遺傳修飾可以顯著增大籽粒。*預(yù)測(cè)基因功能與互作：通過GRN模型，可以預(yù)測(cè)未知基因的功能，或者預(yù)測(cè)敲除/過表達(dá)某個(gè)基因?qū)φ麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)及最終表型的影響。*指導(dǎo)多基因聚合育種：復(fù)雜性狀通常由多個(gè)基因協(xié)同控制。理解GRN有助于分析不同基因在網(wǎng)絡(luò)中的位置和作用方式，為多基因聚合育種提供理論指導(dǎo)，旨在構(gòu)建一個(gè)更有利于目標(biāo)性狀優(yōu)化的基因組合。*開發(fā)新型育種技術(shù)：基于GRN的知識(shí)，可以開發(fā)更精準(zhǔn)的育種技術(shù)，如利用CRISPR/Cas9對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基因進(jìn)行定點(diǎn)編輯，或通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控技術(shù)（如RNA干擾）精細(xì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)輸出。*解析GRN的挑戰(zhàn)：*GRN的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性：GRN通常包含大量節(jié)點(diǎn)和復(fù)雜的互作關(guān)系，且在不同環(huán)境條件下可能動(dòng)態(tài)變化，使得完全解析GRN非常困難。*實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成本高：理論預(yù)測(cè)的GRN需要通過大量的遺傳學(xué)、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，耗時(shí)耗力。