玉米泛轉(zhuǎn)錄組的構(gòu)建及玉米開花抑制因子ZmCOL3的功能解析.pdf

1、玉米是世界上重要的糧食作物之一，約10，000年前從位于熱帶地區(qū)墨西哥的大芻草馴化而來。玉米具有豐富的遺傳變異，是遺傳學(xué)研究的經(jīng)典模式植物之一。以自交系B73為參考的玉米基因組于2009年構(gòu)建完成，為玉米復(fù)雜性狀的遺傳剖析打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。然而，一個(gè)參考基因組不足以代表整個(gè)玉米群體的遺傳水平，存在于其它玉米材料中的特有基因亦有很大研究?jī)r(jià)值。如今二代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展大大降低了基因組測(cè)序的成本，而轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(RNA-seq)是比基因組測(cè)序更為

2、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。本論文的第一部分研究是基于本課題組關(guān)聯(lián)群體368份玉米材料授粉后15天籽粒的RNA-seq數(shù)據(jù)，通過de novo組裝的方法挖掘B73參考基因組中不存在的新轉(zhuǎn)錄本，構(gòu)建玉米的泛轉(zhuǎn)錄組。同時(shí)根據(jù)此泛轉(zhuǎn)錄組以基因表達(dá)的有無(wú)作為標(biāo)記，利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide Association Study,GWAS）探究其對(duì)農(nóng)藝性狀、代謝物含量及基因表達(dá)不同層次的表型貢獻(xiàn)。具體研究結(jié)果如下:
　　1.在籽粒表

3、達(dá)的38，032個(gè)參考基因組注釋基因中，有13，382個(gè)被鑒定為ePAV（expression Presence and Absence Variation，衡量不同材料中表達(dá)與否的變異，相較于表達(dá)量變化來說可視為一種定性的較為極端變異），并富集于與調(diào)控相關(guān)的功能。利用芯片鑒定的基因型進(jìn)行推斷，約1％的ePAV基因是由于序列結(jié)構(gòu)變異(Presence and Absence Variation，PAV)導(dǎo)致。
　　2.群體de n

4、ovo組裝共得到2，355條參考基因組上不存在的新轉(zhuǎn)錄本，總長(zhǎng)為1.9Mb。其中1，318條可以在禾本科及其它模式植物中得到較為詳細(xì)的注釋信息，145條預(yù)測(cè)具有蛋白質(zhì)編碼能力，248條可能為小RNA的前體序列，644條被注釋為長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)。
　　3.GWAS結(jié)果顯示，分別有2，023個(gè)ePAV和814條新轉(zhuǎn)錄本可以顯著影響關(guān)聯(lián)群體的農(nóng)藝性狀和代謝性狀。此外，通過對(duì)一個(gè)測(cè)交

5、群體研究發(fā)現(xiàn)，雙親本間ePAV和新轉(zhuǎn)錄本的互補(bǔ)對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)亦有一定的貢獻(xiàn)。
　　4.模擬分析發(fā)現(xiàn)玉米泛轉(zhuǎn)錄組是閉合型的，估計(jì)玉米籽粒表達(dá)的基因總數(shù)目在63，000個(gè)左右?？紤]到在玉米籽粒中表達(dá)的基因占總基因的70％～80％，因而推測(cè)玉米群體基因數(shù)目為78，000～84，000。
　　此項(xiàng)研究針對(duì)遺傳多樣的自然群體展開分析，可以盡可能挖掘更多的新轉(zhuǎn)錄本，并且通過GWAS的方法系統(tǒng)地探究了轉(zhuǎn)錄水平基因?qū)Ρ硇偷呢暙I(xiàn)。
　　本論

6、文的第二部分研究則是對(duì)玉米開花抑制因子ZmCOL3進(jìn)行功能分析。開花期是玉米從熱帶到溫帶演化過程中重要的適應(yīng)性性狀，了解開花期的遺傳基礎(chǔ)有助于玉米種質(zhì)資源的利用。前人研究表明植物中的CCT基因家族影響開花期。此項(xiàng)研究鑒定出了玉米基因組中的CCT基因家族，并結(jié)合連鎖分析、候選基因關(guān)聯(lián)分析和同源分析的方法系統(tǒng)地評(píng)估了CCT基因家族對(duì)開花期的貢獻(xiàn)。在此基礎(chǔ)上鑒定到1個(gè)重要的CCT基因(ZmCOL3)，并通過轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證、重測(cè)序、遺傳分析、亞

7、細(xì)胞定位和下游調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建系統(tǒng)解析了其功能。具體研究結(jié)果如下:
　　1.玉米B73參考基因組中共有53個(gè)CCT基因，可分為4個(gè)亞家族:27個(gè)COL基因、15個(gè)CMF基因、8個(gè)PRR基因和3個(gè)TIFY基因。
　　2.在53個(gè)玉米CCT基因中，有28個(gè)位于前人連鎖分析定到的開花期QTL(Quantative Trait Locus)區(qū)間內(nèi)，有15個(gè)與關(guān)聯(lián)群體開花期顯著相關(guān)，有13個(gè)基因與水稻開花基因同源，有3個(gè)基因能同時(shí)被3種方

8、法定到。
　　3.ZmCOL3屬于COL亞家族，它主要在葉片、莖節(jié)和胚中表達(dá)，表達(dá)量在光照3.5h后達(dá)到峰值。亞細(xì)胞定位顯示ZmCOL3蛋白位于細(xì)胞核。ZmCOL3是一個(gè)開花抑制因子，在玉米中過表達(dá)ZmCOL3無(wú)論在長(zhǎng)短日照下都能延遲開花3～4天。
　　4.ZmCOL3的3'-UTR區(qū)1個(gè)胞嘧啶的缺失以及啟動(dòng)子區(qū)551bp的插入可能是潛在的功能位點(diǎn);其可能影響生物鐘途徑或者結(jié)合ZmCCT啟動(dòng)子區(qū)激活其轉(zhuǎn)錄而延遲開花。