水稻和玉米叶肉细胞以及维管束鞘细胞转录组分析

摘要

C4植物的光合作用效率高于C3途径的植物接近50％。为了将C4途径引入C3植物中，需要对调控光合作用的关键基因的分子作用机理进行研究，特别是了解这些基因叶肉细胞(Mc)和维管束鞘细胞(BSc)中差异表达。因此，在本实验中的研究目的是:(1)从水稻和玉米中获得均一Mc和BSc，以便通过利用LCM技术进行细胞特定RNA测序;(2)分析水稻作为C3植物的特定Mc和BSc基因的差异表达;(3)分析玉米作为C4植物的特定Mc和BSc基因的差异表达。　　水稻中已经鉴定了包括Mc和BSc总共35956个基因，其中BSc特有2068个，Mc特有5842个。参与光合作用的基因有:在Mc中特异性表达的OsSET13与OsSET26（RubiscoLS甲基转移酶底物结合域）、CAB2R/OsLhcb1.2与RCABP89/OsLhcb2（叶绿素A-B结合蛋白）、PsaH与PsbX（光系统组分）、未知功能CHP01589、K09122、OsPM8ATP基因，但在BSc中这些基因也往往存在微量表达，表明光合作用活性也会在维管束鞘细胞中存在。另外，部分水稻BSc特异基因还参与底物运输和代谢途径，这些基因包括:GST与OsATL5（底物运输载体）、AGPS与UBC2（生物合成活性）以及未知功能的基因。生物学功能分析显示在这两种细胞中差异表达的基因大部分属于细胞组分和物质合成途径。　　玉米的BSc与Mc的转录组分析表明在这两种细胞间有4344个差异表达的基因。其中，1038个参与BSc中高表达，3302个在BSc中低表达。涉及光合作用关键基因的转录至少差异为2倍。Mc中特异性高表达基因包括:C4光合碳代谢的关键基因有CA6、PEP4、MDH6，丙糖还原途径的PGK和TIMs，光系统组分的ZmLhcb3和FDX6。编码卡尔文循环酶(RBCS1、RLSB)，Tie-dyed2（参与叶脉发育参与转录因子），转运蛋白和非生物胁迫反应和蛋白质降解的基因(YAB11、ZmNAC89、UMC1236、ZmUBC-02)在BSc中高表达。这些结果显示了在玉米的BSc和Mc中核心C4基因的严密调控和特异表达，确保了这两种细胞在光合作用中有效的协作功能。此外，一些非特异基因也会在一种细胞中高度富集，这说明C4基因的协作活性可能被一些其他途径所调控。此外，这些基因的优先细胞特异性表达可能意味着调节网络中的整体分化和提及C4叶中两种光合细胞类型的功能分化的途径。

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摘要

Abstract

Table of Contents

英文缩略表

Chapter 1 INTRODUCTION

1．1．1 C3 pathway

1．1．2 C4 pathway

1．2 Evolution of C4 photosynthetic pathway

1．2．1 Phylogenetic distribution

1．2．2 Kranz anatomy

1．2．3 Molecular regulation of C4 pathways

1．3 The C4 Rice Project

1．3．1 Rice

1．3．2 The C4 Rice Project-Overview

1．3．3 Previous studies

1．4 Laser capture microdissection technique

1．4．1 LCM systems

1．4．2 LCM applications on plants

1．5 Aims

Chapter 2 MATERIALS AND METHODS

2．1 Plant materials

2．1．1 Oryza sativa

2．2．2 Microwave processing

2．2．3 Microtome sectioning

2．2．4 LCM

2．3．1 RNA extraction

2．3．2 RNA integrity testing

2．4 RNA amplification and RNA-seq

2．4．1 RNA amplification

2．4．2 RNA-seq

Chapter 3 Mc-and BSc-specific RNA of rice and maize

3．1 Introduction

3．2 Results and discussion

3．2．1 Leaf collection

3．2．2 Laser capture microdissection

3．2．3 RNA Extraction and RNA Integrity Testing

3．3 Discussion

Chapter 4 Differential expression of rice Mc and BSc transcriptomes

4．1 Introduction

4．2 Results

4．2．1 RNA-seq and alignment against the rice reference genome

4．2．2 Differential expression of genes between rice BSc and Mc

4．3 Discussion

4．3．2．Differential expression of genes between BSc and Mc

Chapter 5 Differential expression of maize Mc and BSc transcriptomes

5．1 Introduction

5．2 Results

5．2．2 Differential expression of genes between BSc and Mc

5．3 Discussion

5．3．2 Differential expression of genes between BSc and Mc

CONCLUSION

References

致谢

作者简历