高粱和拟南芥中生长素应答基因和温度胁迫响应基因的表达研究

摘要

温度是影响植物生长的重要环境因素之一。近年来，全球气候环境发生变化，许多植物受到了温度胁迫影响。为探究温度胁迫对植物生长发育影响的分子机理，本文首先以主要的粮食作物高粱为研究对象，初步探查了经典植物激素生长素的响应因子家族ARFs（Auxin Response Factors）在温度胁迫条件下的表达模式变化。随后，为了进一步研究植物应对温度胁迫的响应机理，选择遗传背景最清晰的模式植物拟南芥为研究对象，在形态学观察的基础上对其温度胁迫条件下可能的胁迫响应基因，尤其是生长素等其他激素可能的响应途径进行了探索。主要结果如下： 1、使用生物信息学方法，在高粱（Sorghum bicolor）中筛选出25个ARF基因，随后采用实时定量技术研究了这25个ARF基因在高粱不同组织中的表达情况。此外，进行了高粱幼苗的温度胁迫实验，发现一些响应温度胁迫的ARF基因，并使用原位杂交技术研究了其中ARF3、ARF10、ARF15、ARF17以及ARF24这5个高表达基因的定位和定性。 2、使用光学投影层析（Optical Projection Tomography,OPT）技术对高温胁迫后恢复生长的拟南芥（Arabidopsis thaliana）角果进行了三维重建和观察，发现高温胁迫对拟南芥胚珠的生长发育造成严重影响，而低温影响不明显。为了探查拟南芥高温胁迫响应基因，利用转录本测序技术在高温胁迫下拟南芥胚胎分化前后两个关键时期胚珠样本中共获得了48G的基因表达数据，然后对测序数据进行了多项生物信息学分析，从而对高温胁迫下南芥胚珠发育过程的基因表达情况有了更深的理解。 3、为了更好地分析转录本（Transcriptional transcript，TT）中差异表达的基因数据，进一步筛选在拟南芥胚珠发育过程中响应高温胁迫反应的基因，一方面，将TT数据与KEGG数据库（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）中植物激素信号调控网络通路图（Plant hormone signal transduction pathway，PHST）进行比较分析，发现TT数据中有42个基因家族共计270个基因成员在PHST中占据重要地位（其中71个基因在高温胁迫前后表达量差异显著），并制作了与拟南芥高温胁迫相关的PHST基因热图。接着选择生长素信号通路，利用实时定量PCR分析技术验证了在TT数据库中差异表达显著的20个生长素调控相关基因的表达情况，结果发现拟南芥中有15个基因响应分化前胚珠（胚胎发育至球形期）的高温胁迫，5个基因响应分化后胚珠（胚胎发育至鱼雷期）的高温胁迫。另一方面，将收集和整理出的近5年来与拟南芥和高温胁迫有密切关系的44个功能基因在TT数据库中进行比较分析，筛选出16个差异表达显著的基因。实时定量PCR分析验证显示这16个功能基因中，有9个基因响应分化前胚珠的高温胁迫，10个基因响应分化后胚珠的高温胁迫。

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绪论

温度胁迫对植物生长的影响

温度胁迫对植物营养生长的影响

温度胁迫对植物生殖生长的影响

典型模式植物应对温度胁迫的相关研究

高粱应对温度胁迫的相关研究

拟南芥应对温度胁迫的相关研究

植物生长素相关基因家族的研究进展

ARF基因家族的研究

GH3基因家族的研究

AUX/IAA基因家族的研究

基因测序技术

基因测序技术的发展历程

基因组测序技术

转录本测序技术

光学投影层析（OPT）技术

研究意义

高粱生长素反应因子基因家族对温度胁迫的响应

材料与方法

植物材料和温度胁迫处理

生物信息学分析

总RNA抽提和反转录

引物设计和PCR验证

实时荧光定量PCR（qRT-PCR）

原位杂交

结果

高粱ARF基因家族基因序列分析

SbARF基因家族在高粱不同发育时期器官和组织中的表达

高粱ARFs基因在温度胁迫下的差异表达

高温胁迫下SbARF基因家族中差异表达基因的原位杂交

讨论

高温胁迫下拟南芥胚珠的转录本分析

材料与方法

植物材料和温度胁迫处理

拟南芥角果的OPT观察

转录本测序

转录本数据分析

结果

拟南芥角果的OPT观察

参考序列对比分析

可变剪切分析

新转录本预测

基因表达水平分析

转录本测序整体质量评估

基因差异表达分析

差异基因GO富集分析

差异基因KEGG富集分析

讨论

拟南芥胚珠发育过程中高温胁迫响应基因 的表达分析

材料与方法

植物材料和温度胁迫处理

基因热图的制作

基因筛选

总RNA的提取和反转录

引物设计与PCR验证

实时荧光定量PCR（qRT-PCR）

结果

植物激素信号转导通路的基因热图

生长素相关基因的验证

高温胁迫相关的功能基因的验证

讨论

结论

基本情况

教育背景

攻读硕士学位期间的研究成果