優(yōu)良雜交稻汕優(yōu)63及其親本的比較基因組和轉(zhuǎn)錄組分析以及組學(xué)數(shù)據(jù)可視化軟件的開(kāi)發(fā).pdf

1、水稻是人類(lèi)最主要的糧食作物之一。隨著世界人口數(shù)量的不斷增多、耕地面積的逐年減少以及環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，提高糧食產(chǎn)量已經(jīng)迫在眉睫。雜種優(yōu)勢(shì)是一種廣泛存在的自然現(xiàn)象，其分子基礎(chǔ)仍然是未解之謎。水稻的基因組結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且具有廣泛的功能基因組相關(guān)的研究，使得水稻成為雜種優(yōu)勢(shì)研究的主要模型。為了提高糧食作物的產(chǎn)量，解析雜種優(yōu)勢(shì)的生物學(xué)機(jī)理勢(shì)在必行。基于優(yōu)良雜交稻汕優(yōu)63的兩親本珍汕97和明恢63高質(zhì)量的參考基因組序列，以及覆蓋水稻36個(gè)組織/

2、時(shí)期的全生育期的表達(dá)譜數(shù)據(jù)，我們對(duì)水稻產(chǎn)量的雜種優(yōu)勢(shì)分子機(jī)理進(jìn)行了探索。
　　通過(guò)比較兩個(gè)秈稻品種的基因組序列，研究人員在珍汕97基因組鑒定到3，984個(gè)特異存在的基因，在明恢63基因組發(fā)現(xiàn)4，308個(gè)特異存在基因。對(duì)親本特異存在基因的富集分析表明這些基因涉及產(chǎn)量、生長(zhǎng)和發(fā)育、抗逆性和抗病性等多種不同的生物學(xué)功能，并且具有一定的功能互補(bǔ)性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)了15個(gè)重要功能的親本特異存在基因，包括只存在于珍汕97基因組中的細(xì)胞周期和植

3、株發(fā)育相關(guān)的基因RAD23，稻瘟病抗性基因Pikp-2，以及只存在于明恢63基因組中的生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的基因Os WOX3A，產(chǎn)量相關(guān)的基因GHD7，磷耐受性基因PSTOL1。此外，還發(fā)現(xiàn)涉及產(chǎn)量、稻米的品質(zhì)等性狀的重要功能基因在珍汕97和明恢63之間的變異位點(diǎn)和影響該基因功能的關(guān)鍵變異位點(diǎn)完全一致。這些基因賦予了雜種基因組更多的基因和序列多樣性。
　　基于包括36個(gè)組織/時(shí)期的水稻全生育期的表達(dá)譜數(shù)據(jù)，鑒定到了216個(gè)珍汕97的特異

4、表達(dá)基因和230個(gè)明恢63的特異表達(dá)基因，這些基因大部分在雜種中都是表達(dá)的，說(shuō)明雜種中具有更多的表達(dá)基因。通過(guò)分析特異表達(dá)基因中的重要功能基因，發(fā)現(xiàn)脅迫響應(yīng)基因OsANS和稻瘟病抗性基因Pikm2-TS等在珍汕97中特異表達(dá)，而調(diào)控細(xì)胞分裂和光周期的基因OsHAL3以及脫落酸生物合成和信號(hào)通路相關(guān)的基因OsDET1等在明恢63中特異表達(dá)。此外，基于Gramene數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)珍汕97和明恢63基因組的特異存在基因和轉(zhuǎn)錄組的特異表達(dá)

5、基因所參與的生物學(xué)通路進(jìn)行了分析，鑒定到兩個(gè)分別參與分支酸合成通路和葉綠素a合成通路的親本特異存在基因和一個(gè)參與光呼吸通路的明恢63的特異表達(dá)基因。
　　為了更方便有效地對(duì)珍汕97和明恢63基因組和表達(dá)譜進(jìn)行比較分析，我們制作了一款交互式繪制Circos圖的界面化操作工具shinyCircos。用戶(hù)可以將其安裝在個(gè)人電腦或公共服務(wù)器上進(jìn)行使用，也可以直接在線使用。用戶(hù)只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以輕松繪制不同類(lèi)型的Circos圖，包括散點(diǎn)圖

6、、線圖、柱狀圖、矩形圖、熱圖、染色體示意圖和關(guān)系線圖等。用戶(hù)可以通過(guò)繪制不同類(lèi)型的圖來(lái)展示多樣的組學(xué)數(shù)據(jù)，例如:使用線圖或散點(diǎn)圖展示QTL或GWAS分析的結(jié)果，熱圖展示表達(dá)譜或轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)，矩形圖展示全基因組不同的基因結(jié)構(gòu)以及關(guān)系線圖展示基因組結(jié)構(gòu)中的易位變異或遺傳分析中的兩位點(diǎn)互作。使用該軟件對(duì)兩個(gè)親本的基因組序列分析結(jié)果進(jìn)行展示，明顯地發(fā)現(xiàn)兩個(gè)基因組之間存在的大量易位變異，而且這些易位變異在不同染色體之間發(fā)生的頻率不同，例如在4號(hào)、

7、11號(hào)和12號(hào)染色體中頻率較高。
　　利用h測(cè)驗(yàn)的方法，分析了二次枝梗原基分化期，雜種幼穗(panicle1)組織中基因表達(dá)的非加性模式，即雜種表達(dá)量顯著偏離中親水平的表達(dá)模式。鑒定得到的503個(gè)非加性表達(dá)基因中，發(fā)現(xiàn)下調(diào)表達(dá)的基因294個(gè)和上調(diào)表達(dá)的基因209個(gè)。為了闡明非加性表達(dá)基因?qū)﹄s種優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn)，分別對(duì)下調(diào)表達(dá)基因和上調(diào)表達(dá)基因進(jìn)行了GO富集分析，發(fā)現(xiàn)下調(diào)表達(dá)基因富集到36個(gè)術(shù)語(yǔ)，主要集中在基礎(chǔ)生物學(xué)過(guò)程，包括“蛋白質(zhì)加工

8、過(guò)程”、“翻譯后修飾過(guò)程”、“轉(zhuǎn)運(yùn)”、“定位”以及一些代謝和生物合成相關(guān)的過(guò)程。而上調(diào)表達(dá)基因富集到23個(gè)功能調(diào)控相關(guān)的通路，約占所有上調(diào)基因富集結(jié)果的68％，包括“細(xì)胞過(guò)程調(diào)控”，“代謝過(guò)程調(diào)控”和“基因表達(dá)調(diào)控”等。這些結(jié)果表明雜種中基礎(chǔ)生物學(xué)過(guò)程下調(diào)，而對(duì)其調(diào)控進(jìn)一步加強(qiáng)，使得雜種更有效地利用能量，表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢(shì)的表型。研究還發(fā)現(xiàn)一些具有重要功能的已克隆基因表現(xiàn)出非加性表達(dá)模式，包括水稻產(chǎn)量和生物量相關(guān)的基因OsD WARF4和O

9、sAt10，以及調(diào)節(jié)植株高度的基因OsPH1等，對(duì)雜種的生長(zhǎng)和發(fā)育具有貢獻(xiàn)。
　　利用36個(gè)不同組織/時(shí)期的表達(dá)譜數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建了珍汕97、明恢63及其雜種的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)比較雜種和親本之間的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，鑒定到了6個(gè)雜種中特異存在的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)稃/外稃(palea/lemma)組織顯著相關(guān)，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和三期幼穗(panicle1)組織/時(shí)期顯著相關(guān)。此外，還鑒定到了3個(gè)雜種和珍汕97共有的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)雜種

10、和明恢63共有的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果表明雜種中基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的聚集可能對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)具有貢獻(xiàn)。
　　本研究通過(guò)對(duì)兩個(gè)親本基因組中的特異存在基因和特異表達(dá)基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些基因涉及生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和抗性等多種重要的生物學(xué)功能。還發(fā)現(xiàn)涉及產(chǎn)量、稻米的品質(zhì)、種子休眠等重要過(guò)程的功能基因在兩親本基因組之間具有關(guān)鍵的序列變異。同時(shí)，鑒定了雜種中基因的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)上調(diào)表達(dá)基因和下調(diào)表達(dá)基因參與不同的生物學(xué)通路，導(dǎo)致雜種中的基礎(chǔ)生物學(xué)功能被下調(diào)