水稻芯片和系統(tǒng)基因組數(shù)據(jù)庫開發(fā)與應(yīng)用.pdf

1、闡明所有基因的功能是水稻生物學(xué)研究的最終目標(biāo),然而水稻基因的功能鑒定研究卻進(jìn)展緩慢,盡管水稻已經(jīng)體現(xiàn)出了作為遺傳學(xué)研究模式生物的重要性。本篇博士論文主要開發(fā)了兩個(gè)水稻生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫來促進(jìn)水稻中的基因功能鑒定:水稻芯片數(shù)據(jù)庫(Rice Oligo Array Dambase,ROAD)和水稻系統(tǒng)基因組數(shù)據(jù)庫(Rice PhylogenomicDambase)。水稻芯片數(shù)據(jù)庫可以提供水稻所有基因的基因表達(dá)譜和共表達(dá)關(guān)系；水稻系統(tǒng)基因組數(shù)據(jù)

2、庫可以在系統(tǒng)發(fā)育樹的環(huán)境中整合分析多種基因組數(shù)據(jù)來研究基因家族中的基因冗余,目前已覆蓋了蛋白激酶(Rice Kinase Dambase,RKD)和糖基轉(zhuǎn)移酶(Rice GT Database,RGTD)基因家族?；赗OAD和RGTD數(shù)據(jù)庫,鑒定出33個(gè)水稻特異的并且在地上營養(yǎng)組織高表達(dá)的GT基因,這些基因可作為下一步水稻細(xì)胞壁相關(guān)功能驗(yàn)證的目標(biāo)基因。
　　 論文共分四章。
　　 第一章綜述了目前水稻和水稻基因組、水稻

3、芯片、系統(tǒng)基因組學(xué)、細(xì)胞壁和糖基轉(zhuǎn)移酶的研究進(jìn)展。
　　 第二章介紹了水稻芯片數(shù)據(jù)庫ROAD,整合了已經(jīng)公開的來自6種不同芯片平臺(tái)的1867張水稻芯片數(shù)據(jù)。ROAD具有用戶友好的界面和多種圖形化展示工具,可以使用戶很容易的基于基因和探針I(yè)D來獲取基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)。Meta-analysis工具可以分析基因在不同組織和發(fā)育階段的表達(dá)情況,因此可以對(duì)用戶感興趣的基因提供在何時(shí)何地表達(dá)的信息。共表達(dá)分析工具可以提供基因在常規(guī)、非生物脅迫

4、和生物脅迫等條件下的共調(diào)節(jié)信息。功能分析工具包括GO和KO富集分析,可以在芯片數(shù)據(jù)產(chǎn)生的差異表達(dá)基因列表中鑒定出有意義的生物學(xué)功能。實(shí)例分析中應(yīng)用meta-analysis工具分析了最近研究中鑒定的胚乳偏好基因,并且構(gòu)建了相應(yīng)的基因功能網(wǎng)絡(luò)來解釋水稻中的胚乳發(fā)育過程。作為一個(gè)公開的基因表達(dá)參考數(shù)據(jù)庫,ROAD將能夠促進(jìn)水稻產(chǎn)量相關(guān)關(guān)鍵基因的功能發(fā)掘和新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。
　　 第三章開發(fā)了兩個(gè)水稻系統(tǒng)基因組數(shù)據(jù)庫,Rice Kinas

5、e Database(RKD)和Rice GTDatabase(RGTD)。當(dāng)研究大的基因家族時(shí)基因功能的確定非常困難,這是因?yàn)榛蚣易逯谢蚬δ艿娜哂嘞拗屏送ㄟ^實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證單個(gè)基因功能的能力。通過RKD和RGTD,包括突變體信息和基因表達(dá)數(shù)據(jù)在內(nèi)的多種功能基因組數(shù)據(jù)可以在一種系統(tǒng)發(fā)育樹的環(huán)境中展示出來,有利于基因家族之間和之內(nèi)的比較分析。這種展示方式(系統(tǒng)基因組學(xué))至少可以在一定程度上幫助生物學(xué)家解決大基因家族研究中基因功能冗余的限制。

6、目前為止已有超過1000張的芯片數(shù)據(jù)整合進(jìn)RKD和RGTD中,并且有超過250條蛋白-蛋白互作信息整合進(jìn)RKD中。為了展示如何使用這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫,本章以RKD為例介紹了水稻系統(tǒng)基因組數(shù)據(jù)庫在水稻蛋白激酶基因家族中單個(gè)基因功能鑒定方面的兩個(gè)應(yīng)用:(ⅰ)多種環(huán)境脅迫下共表達(dá)的有絲分裂原相關(guān)蛋白激酶信號(hào)通路(MAPK-MAPKK-MAPKKK)的鑒定；(ⅱ)整合表達(dá)譜和蛋白.蛋白互作鑒定光誘導(dǎo)蛋白激酶的五個(gè)功能互作物。
　　 第四章展示

7、了如何結(jié)合ROAD和RGTD數(shù)據(jù)庫鑒定出33個(gè)水稻特異的并且在地上營養(yǎng)組織高表達(dá)的GT?；?。GT基因?qū)χ参锛?xì)胞壁的合成非常重要,并且具有其他多種生物學(xué)功能。基于CAZy數(shù)據(jù)庫和序列相似性分析,在RGTD數(shù)據(jù)庫中鑒定出609個(gè)水稻GT基因位點(diǎn),對(duì)應(yīng)于769個(gè)轉(zhuǎn)錄物?；赗OAD數(shù)據(jù)庫的基因表達(dá)譜分析表明大部分GT基因(～80％)在水稻中是表達(dá)的。使用Inparanoid直系同源物分析工具掃描已經(jīng)完成測(cè)序的4種雙子葉植物基因組(擬南芥、白