玉米果穗分化不同階段的基因表達(dá)模式分析.pdf

1、玉米不僅僅是全球范圍內(nèi)一種重要的糧食作物，而且是遺傳分析的模式植物。與其他禾本科作物如水稻和小麥不同，玉米是雌雄同株的，具有雄花和雌花。雄性成熟花序（通常被稱作雄穗）來自于莖尖端分生組織，而雌性成熟花序（通常被稱作果穗）源于葉腋頂端分生組織。玉米的果穗是肉穗花序，后期發(fā)育成只有一個主軸而沒有長的分支的雌花。研究人員常利用不同自交系之間的自然變異和其表型做數(shù)量性狀的定位，通過遺傳和分子研究，現(xiàn)已鑒定得到一些與果穗發(fā)育相關(guān)的候選基因。然而，

2、玉米果穗發(fā)育相關(guān)的知識有限，參與其發(fā)育的大部分基因仍然未知。
　　本論文利用B73為供試材料，采用數(shù)字基因表達(dá)譜篩選并鑒定雌穗發(fā)育進(jìn)程中（生長錐伸長期、小穗分化期、小花原基分化期和花器官分化期）的差異表達(dá)基因，并對其在通路和GO富集等方面做深入分析，探討這些差異表達(dá)基因在玉米雌穗發(fā)育過程中可能的調(diào)控功能，為進(jìn)一步研究果穗的調(diào)控機(jī)制提供參考。
　　本研究具體結(jié)果如下:
　　1、本研究利用高通測序技術(shù)對玉米果穗生長錐伸長期

3、(stageⅠ)、小穗分化期(stageⅡ)、小花原基分化期(stageⅢ)和花器官分化期(stageⅣ)的樣品分別進(jìn)行數(shù)字基因表達(dá)譜(DGE)的測序，分別獲得3，931，920、4，066，158、4，054，326和4，055，577個高質(zhì)量的總測序標(biāo)簽(tags)。對于不同發(fā)育時期的不同種類標(biāo)簽，stageⅡ的數(shù)目最多(278,664)，stageⅠ次之(270，298)，stageⅣ最低(238，767)。這4個樣品中，超過78

4、％的不同類標(biāo)簽的拷貝數(shù)范圍在1～5，其他拷貝數(shù)的不同類標(biāo)簽所占比例都在2％～7％之間。
　　2、通過對玉米果穗4個發(fā)育時期基因表達(dá)量的分析，這些發(fā)育時期的表達(dá)基因數(shù)目在24，480(75.23％)～24，999(43.79％)之間，本研究共檢測到24，440個表達(dá)的基因（占玉米總基因數(shù)的76.3％），這些基因至少在一個發(fā)育時期中表達(dá)，其中有18，573個基因在4個發(fā)育時期中都表達(dá)。
　　3、采用嚴(yán)格的貝葉斯算法篩選和鑒定上述

5、4個發(fā)育時期之間的差異表達(dá)基因，共鑒定到6，800個差異表達(dá)基因，占玉米果穗4個發(fā)育時期總表達(dá)基因數(shù)目的27.9％。從中隨機(jī)挑選32個基因進(jìn)行qRT-PCR驗證，結(jié)果表明這些差異基因qRT-PCR的表達(dá)趨勢和與通量測序結(jié)果基本一致，測序數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。
　　4、利用k-means聚類算法，將6，800個基因分成18個類群;再依照基因功能分類和基因分組對基因?qū)γ總€類群進(jìn)行Gene Ontology(GO)功能顯著性富集分析(p＜0.05

6、)。K1～K18類群包含56～766個基因，K13包含有的基因最多(766)，K3包含的基因數(shù)最少(56)。K1類群含135個基因，主要富集在細(xì)胞內(nèi)各組分的功能分類;K2類群主要富集在壓力的響應(yīng);K3類群含56個基因，主要富集在生物大分子的合成;K4類群含63個基因，主要富集在糖的轉(zhuǎn)運(yùn)和應(yīng)激響應(yīng);K5類群含105個基因，主要富集在芳香族化合物的代謝過程;K6類群沒有明顯的富集;K7類群主要富集的功能和K1非常相似;K8～K18等類群主要

7、富集的功能較少，主要為細(xì)胞進(jìn)程、信號傳導(dǎo)、基因表達(dá)、細(xì)胞內(nèi)生物合成進(jìn)程、基于微管的進(jìn)程和生物合成進(jìn)程等。
　　5、通過對所有差異表達(dá)基因進(jìn)行Pathway顯著性富集分析(p＜0.05)，得到了玉米果穗發(fā)育涉及的生物途徑。上述18個聚類類群，共有10條通路可能被影響，依據(jù)富集優(yōu)先的原則，對這些差異表達(dá)基因的通路進(jìn)行注釋。K1類群中基因表達(dá)水平在StageⅠ、StageⅡ和StageⅢ時期持續(xù)上升，在StageⅣ時有輕微的下調(diào)，主要涉

8、及核糖體和吞噬體的合成，負(fù)責(zé)能量的供應(yīng);在K2類群中，注釋的基因隨著發(fā)育進(jìn)程其表達(dá)水平持續(xù)上升，主要富集在角質(zhì)、軟木脂和蠟狀物的生物合成、次級代謝物的合成、苯基丙氨酸代謝和檸檬烯、蒎烯的降解;K3～K18富集的途徑較少，主要涉及蛋白酶體合成、氨酰基-tRNA的生物合成和核糖體合成。
　　6、在4個玉米果穗發(fā)育過程中共篩選和鑒定到1，522個轉(zhuǎn)錄因子。這些基因中，有1，055個轉(zhuǎn)錄因子在所有發(fā)育階段均有表達(dá);有41個在第Ⅰ階段中特異

9、表達(dá)，39個在第Ⅱ階段中特異表達(dá)，28個在第Ⅲ階段中特異表達(dá)，40個在階段Ⅳ中特異表達(dá)。在上述表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子中有630個差異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，這些轉(zhuǎn)錄因子屬于24個轉(zhuǎn)錄因子家族，5個與分生組織的生長和發(fā)育(HD-ZIP、NF-YA、NAC、GRAS和TCP)有關(guān)，3個與通過激素(AUX/IAA)、油菜素內(nèi)酯(BES)或乙烯和壓力(AP2/ERF)介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)有關(guān)，3個與抵御/應(yīng)激信號通路相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子(HSP、WRKY和bZIP)。另有

10、2個是與耐旱性相關(guān)的家族(MYB、NAC和ERF)。
　　7、通過分析不同發(fā)育時期間極顯著的差異表達(dá)基因，相對于stageⅠ，log2(Ⅱ/Ⅰ)的絕對值位于前20位的差異表達(dá)基因大多是功能位置或編碼推測的蛋白，其中已注釋的基因GRMZM26120182編碼伸展蛋白，其顯著的上調(diào)表達(dá)可能促進(jìn)小穗分生組織細(xì)胞壁的發(fā)育;相對與stageⅡ，log2(Ⅲ/Ⅱ)的絕對值在前20為的差異基因也大多是功能未知或編碼崔測的蛋白，其中AC18715