近等基因系转录组的比较分析深入揭示水稻小穗的发育

【作者】 梁文化； 孙旭超； 岳红亮； 田铮； 陈涛； 赵庆勇； 朱镇； 赵凌； 赵春芳； 周丽慧； 姚姝； 张亚东； 王才林；

【机构】 江苏省农业科学院粮食作物研究所/江苏省优质水稻工程技术研究中心/国家水稻改良中心南京分中心；

【摘要】 水稻粒型包括粒长、粒宽和粒厚三个基本要素,是影响产量和品质的重要农艺性状。GS3是水稻中控制粒长和粒重的主效QTL,对粒宽和粒厚也有一定的影响。大粒品种GS3基因第二外显子发生SNP突变导致翻译提前终止,表明GS3编码的蛋白对粒长和粒重是负调控作用,其N端OSR结构域失去功能是形成长籽粒的原因。然而,GS3基因功能的缺失对幼穗时期表达谱的影响并不清晰。本研究以大粒粳稻TD70为供体,小粒籼稻Kasalath为背景构建了粒型基因GS3的近等基因系NIL-GS3和NIL-gs3,对等基因系NIL-GS3和NIL-gs3孕穗期的S (1-3cm),M (4-6cm) and L (8-10cm)三时期的幼穗取样,每个时期样品取三个生物学重复,共计18个小穗的样品深度测序,共获得59.48G的clean reads,平均每个样本3.3G的clean reads。利用软件Tophat将reads比对到参考基因组,特异性比对(unique alignment)到基因组中的比例介于82.5%-85.2%之间,平均为84.05%。组装后获得了116,184个转录本,来自58,658个基因,其中4,758个为新的转录本。对NIL-GS3和NIL-gs3相同时期的差异表达基因情况分析,结果显示,在S期一共有900个差异表达基因,491个在G404中上调表达,409个下调表达;M期共有1739个差异表达基因,其中759个上调表达,980个下调表达;L期有1895个差异表达基因,960个上调表达,935个下调表达,随着小穗的发育差异基因数目逐渐增多,暗示GS3基因影响了小穗发育后期更多基因的表达。近等基因系相同发育时期小穗的表达谱比较发现,在S、M和L三个时期均差异表达的基因为163个。为探究差异基因的生物学功能,我们对近等基因系小穗发育三个时期的差异基因进行显著富集的GO类别进行特征分析。按照三个主要的GO类别(生物进程、细胞组分和分子功能)对NIL-GS3和NIL-gs3三个时期(S、M、L)比较获得的差异表达基因(900、1739、1895)进行GO分析,一共注释到683个GO terms,每个功能组包含5-1175个基因,在小穗发育的S、M和L阶段分别得到399、646和466个GO terms。碳水化合物代谢进程、脂类代谢进程、膜系统、转录调节等12个Pathway在三个时期均显著富集到。细胞进程的调节、RNA代谢进程的调节、DNA依赖的转录调节等在S期和M期两个时期都富集到。由此可见GS3基因影响了幼穗发育过程中很多重要的代谢途径。通过RNA-Seq我们发现GS3基因引起了水稻幼穗发育相关基因的表达水平发生了剧烈变化,富集分析进一步揭示膜系统、转录调节、离子结合等代谢通路均受到GS3基因的影响,推测,GS3基因可能通过调节这些代谢通路的而影响水稻的籽粒大小。更多还原