糯玉米籽粒发育过程中的转录组分析

【作者】 顾炜； 于典司； 关媛； 王慧； 秦涛； 孙萍东； 胡颖雄； 卫季辉； 郑洪建；

【机构】 上海市农业科学院作物育种栽培研究所；

【摘要】 【研究背景】玉米是全球广泛种植的一种作物,起源于中南美洲。而糯玉米起源于中国,是籽粒突变形成的一种特殊类型玉米,主要表现为籽粒胚乳支链淀粉含量(约98%)远高于普通玉米。通过研究发现,糯玉米的糯质性状是受一个隐性基因(Wx1)控制的。Wx1编码颗粒凝结型淀粉合成酶,该酶是合成禾谷类作物胚乳直链淀粉的关键酶。当Wx1突变之后,颗粒凝结型淀粉合成酶的功能受到抑制,以可溶性淀粉合成酶为主合成的直链淀粉全部由淀粉分支酶转化为支链淀粉,导致糯质性状的出现。目前,我们对糯玉米籽粒发育过程中的基因表达调控过程知之甚少。因此,针对糯玉米籽粒展开研究,分析糯玉米籽粒发育过程中的基因表达模式,有助于了解糯玉米籽粒发育的调控过程,并为糯玉米分子标记辅助育种提供理论支持。【材料与方法】以课题组育成的糯玉米自交系SWL01为实验材料,以普通玉米自交系B73为对照,分别取授粉后0, 2, 4, 8, 16, 24天六个时期的籽粒为实验样品,每时期样品设两个生物学重复,进行RNA-seq。获取转录组数据后,通过生物信息学手段对转录组数据进行分析,鉴定参与糯玉米籽粒发育过程的基因,并分析基因表达调控模式。【结果与分析】通过分析,共有24,546个基因(包括1611个转录因子)被鉴定到在糯玉米籽粒发育过程中表达。通过共表达分析,将所有表达基因分为三个时期:阶段I(C1-C6;0-4 DAP),阶段II(C7-C9;8-16 DAP)和阶段III(C10;24DAP)。通过功能富集分析,结果显示阶段I中的表达基因主要在转录、光合作用、蛋白激酶活性、ATP结合等功能中发生富集;阶段II中,基因功能主要与DNA结合、细胞质、核糖体等相关;阶段III的表达基因主要在代谢过程、氧化还原、脂质存储及离子结合等功能中富集。将SWL01的转录组数据与23个非籽粒转录组数据进行比对,共鉴定到2457个糯玉米籽粒特异表达基因,其中有177个是转录因子。通过分析,部分糯玉米籽粒特意表达基因可能主要参与糯玉米籽粒的休眠及成熟过程。此外,以普通玉米自交系B73为对照,鉴定SWL01与B73之间的差异表达基因,在六个时期中分别鉴定到2681,5686,4491,4386,3669和4624个差异表达基因,其中113个差异表达基因可能是导致蜡质玉米和普通玉米乳期种子发育差异的关键基因。【结论】转录组数据阐述了糯玉米籽粒发育过程中表达基因的动态表达谱。该项研究分析了糯玉米中组蛋白基因及醇溶蛋白基因的表达模式,鉴定到一系列与糯玉米籽粒发育相关的基因,这些将为糯玉米籽粒发育的功能研究提供数据资源,并为糯玉米分子标记辅助育种提供支撑。更多还原