玉米穗下节间长杂种优势的组学分析

摘要

玉米是世界上成功利用杂种优势的农作物，其株高和穗位高表现出较强的杂种优势，被认为是研究杂种优势的模式性状，同时穗位高又与玉米抗倒伏能力密切相关。穗位高主要由穗下不同节间长和伸长节间数构成，其中穗下不同节间长表现出明显不同的杂种优势。本研究以我国生产上常用的4个玉米优良杂交种及其亲本为材料，采用Solexa深测序和2-DE技术，结合生物信息学分析的方法，对玉米穗位高相关的miRNA及其靶基因和节间相关蛋白进行了分析；并利用实时荧光定量PCR对与穗位高相关的miRNA和靶基因进行了表达分析，目的在于揭示玉米穗下节间长的杂种优势形成的遗传机理，为抗倒伏玉米新品种的选育提供理论依据。主要研究结论如下：
　　1.对3个优良玉米杂交种不同穗下节间长的杂种优势分析可以看出，不同穗下节间长的杂种优势存在显著差异，穗下第7、8、9节间长具有较强的杂种优势，其中第9节间的杂种优势大于第8节间，第7节间的杂种优势最小。
　　2.通过Solexa深测序，发现不同的miRNA家族在浚单20的相对丰度存在显著变异，在自交系浚9058中有超过10,000,000拷贝的miR168，也有仅1个拷贝的miR393b，这些差异表明不同 miRNA在同一组织的表达水平具有多样性。miRNA的表达模式主要为超低亲表达，其次为超高亲表达，说明miRNA的超亲表达模式可能与玉米穗下节间长杂种优势的形成有关。用psRNATarget软件对99个保守的miRNA序列进行靶基因预测，共预测到246个miRNA靶基因，其中大部分靶基因的编码产物为转录因子（101/246），其次是信号转导因子（28/246）和发育因子（27/246）。本研究同时发现8个新的miRNA，其靶基因最多的为转录后调控因子（7/52）和应激反应因子（7/52）。检测靶基因的表达谱，发现许多靶基因显示出与miRNA相同的表达趋势，但有一些靶标，包括Tn1，T169a和T172a-d，未检测到明确相反的表达模式。这些结果说明除了相应的miRNA，靶基因的表达可能还受其它因素的调节。
　　3.通过对2-DE分析，发现大量差异蛋白的表达量接近中亲值，暗示蛋白的中亲表达模式可能与玉米株高杂种优势的形成有关。通过发现在三个杂交种中有4个蛋白点在杂交种中表达量为0，在亲本之一或双亲中有较高表达，说明这些基因的负调控可能与穗下节间长杂种优势形成有关。对ESI/MS/MS质谱鉴定得到的66个差异蛋白点的功能进行注释，发现与代谢有关的蛋白点最多，达到49个，其次是与遗传信息处理有关的蛋白为5个。差异蛋白参与的代谢途径包括丙酮酸代谢、磷酸戊糖途径、氨基酸的生物合成、次级代谢产物的合成、蛋白质的代谢、RNA的降解等代谢途径。此外，检测到7个蛋白（共计18个蛋白点）具有2个及以上蛋白点，说明这些蛋白存在翻译后修饰，推测蛋白的翻译后修饰，可能也参与玉米穗下节间伸长杂种优势的形成。
　　综上所述玉米穗下节间长杂种优势的形成是一个复杂的生长发育过程，可能受多种代谢途径的影响。在miRNA水平上，由于杂交种中一些关键miRNA表达量的降低，促进转录因子的合成，进而促进功能基因的表达，同时杂交种比自交系的代谢通路更为完善，从而表现出杂种优势。

目录

封面

声明

致谢

目录

中文摘要

缩略词

第一章文献综述

1.1 杂种优势研究进展

1.1.1玉米株高杂种优势研究的重要性

1.1.2杂种优势遗传机理研究进展

1.1.3玉米抗倒伏相关性状的研究进展

1.1.4株高的研究进展

1.2 microRNA的研究进展

1.2.1microRNA的概念

1.2.2miRNA的特点

1.2.3microRNA的生物合成过程

1.2.4microRNA介导的基因表达调控模式

1.2.5microRNA在植物发育过程中的研究进展

1.2.6植物microRNA的研究方法

1.2.7玉米microRNA的研究及其与杂种优势的关系

1.3蛋白质组学研究进展

1.3.1蛋白质组学研究技术

第二章 玉米穗下节间长杂种优势的miRNA调控机制研究

2.1试验材料与方法

2.1.1试验材料

2..1.2主要的仪器设备和耗材

2.1.3生化试剂

2.1.4常用溶液的配制

2.1.5使用的数据库和在线工具

2.1.6玉米材料的处理

2.1.7取样

2.1.8实验材料总RNA的提取

2.1.9miRNA测序与数据分析

2.1.10miRNA引物

2.1.11miRNA靶基因的预测

2.1.12RNA纯化与反转录

2.1.13cDNA第一链的合成

2.1.14引物特异性鉴定

2.1.15实时定量PCR对miRNA和miRNA候选靶基因进行相对定量分析

2.2结果与分析

2.2.1玉米穗下不同节间长的杂种优势分析

2.2.2总RNA的提取和质量检测

2.2.3在杂交种和其亲本中检测到的MicroRNA

2.2.4玉米穗下节间miRNA的表达模式分析

2.2.5保守miRNA靶基因的预测

2.2.6玉米穗下节间中新发现的miRNA

2.2.7部分miRNA及其靶基因的表达谱分析

2.3讨论与结论

2.3.1高通量测序技术的可行性

2.3.2玉米杂种优势相关的miRNA

2.3.3靶基因涉及的玉米穗下节间伸长的代谢调控途径

第三章 玉米穗下节间杂种优势的蛋白质组学分析

3.1试验材料与方法

3.1.1供试材料

3.1.2实验仪器

3.1.3试剂和溶液配制

3.1.4实验方法

3.2结果与分析

3.2.1 差异蛋白的筛选

3.2.2差异蛋白点的的表达模式分析

3.2.3玉米杂交种及其亲本第8节间差异蛋白的功能分析

3.3讨论部分

3.3.1样品的取用和方法的可行性

3.3.2 代谢通路的完善是株高杂种优势形成的机理之一

3.3.3 与激素诱导基因表达相关的差异蛋白

3.3.4具有特殊表达模式的蛋白点

3.4 结论

第四章结论

4.1玉米穗下节间长的杂种优势表现

4.2miRNA与节间伸长杂种优势的关系

4.3玉米穗下节间长杂种优势的蛋白质组学分析

英文摘要

参考文献