小麦幼穗发育的转录组和miRNA调控网络分析

摘要

禾本科作物花序的早期发育是决定每穗最终籽粒数的关键，进而影响作物的产量。目前，人们对花序发育分子调控的认识大多来自于模式植物拟南芥和水稻，普通小麦（Triticum aestivum L）该过程基因表达谱系统分析尚未报道。为了更好地了解小麦花序发育的分子调控路径，本研究选取小穗分生组织形成期、小花分生组织形成期、药隔原基形成期和花器官分化后的幼穗，对其进行mRNA和小分子RNA转录组测序。ARGONAUTE蛋白在小分子RNA介导的基因沉默中起关键作用，转录组测序发现ARGONA UTE1d(AGO1d)在药隔原基形成期特异高表达，于是对其功能进行了鉴定。　　1共19060个基因在四个阶段间差异表达，24个k-means聚类呈现出多种表达趋势。小穗分生组织形成期、小花分生组织形成期、药隔原基形成期和四分体时期分别含464、357、428和5799个阶段特异表达的基因，其中包括参与拟南芥和水稻小穗分生组织和小花分生组织形成以及花器官分化的重要转录因子。很多花器官发育相关的基因在水稻和小麦间保守，而小穗分生组织形成或分枝相关的基因表达趋势有所不同。　　2miR159、miR319、miR396和miR167等拟南芥花器官发育相关的miRNA在小麦幼穗中高表达，并与其靶基因的表达趋势相反。RNA连接酶介导的5'RACE证明miRNA对其靶基因存在体内切割，说明花器官发育过程中miRNA介导的调控机制可能与拟南芥和水稻保守。　　3花药发育过程中，AGO1d先后在雄蕊原基和花药绒毡层细胞中特异表达。利用四倍体小麦突变体验证其功能，当表达量最高的AGO1d-B失去功能后，四倍体小麦突变体的花药变小、不育花粉粒增多、每穗结实率降低，说明AGO1d在花药和花粉粒发育中起重要作用，并证明了小麦幼穗发育关键阶段特异表达的基因具有潜在的生物学功能。　　本研究首次提供了小麦幼穗发育的调控网络，为提高小麦产量提供理论依据。

目录

声明

摘要

英文缩略表

第一章 引言

1．1 小麦穗部结构及发育过程

1．2 模式植物花序发育的基因调控

1．2．1 小穗分生组织形成的基因调控

1．2．2 小花分生组织形成的基因调控

1．2．3 花器官分化和发育的基因调控

1．2．4 激素相关基因在花序和花器官发育中的作用

1．3 小麦幼穗发育的研究进展

1．4 MicroRNA在植物发育过程中的调控作用

1．4．1 植物miRNA的合成、加工和基因沉默

1．4．2 MicroRNA在植物发育过程中的作用

1．5 植物ARGONAUTE蛋白在发育中的作用

1．5．1 AGO蛋白的起源和进化

1．5．2 植物AGO蛋白的结构与功能

1．5．3 植物AGO1的生物学功能

1．6 小麦及其祖先种基因组测序的发展

1．7 小麦转录组测序的研究进展

1．8 研究目的和意义

第二章 普通小麦幼穗发育关键阶段的转录组分析

2．1 实验材料和方法

2．1．3 总RNA的提取

2．1．4 DGE文库构建及数据分析

2．1．5 实时定量PCR检测

2．1．6 原位杂交

2．2 实验结果

2．2．1 小麦幼穗转录组分析概况

2．2．2 差异表达基因分析

2．2．3 差异基因验证

2．2．4 阶段特异表达基因

2．3 讨论

2．3．1 小麦小穗发育关键基因的功能比较

2．3．2 小麦花器官建成基因的功能比较

第三章 普通小麦幼穗发育关键阶段的miRNA分析

3．1 实验材料和方法

3．1．4 miRNA表达分析

3．1．5 RNA连接酶介导的5’RACE(RNA．ligase-mediated．5 ’RACE)

3．2 实验结果

3．2．2 差异表达的mxRNA

3．2．3 miRNA切割靶基因

3．3 讨论

第四章 小麦AGO1d在花药发育中的功能鉴定

4．1．5 突变位点检测

4．1．7 进化树构建

4．2 实验结果

4．2．2 AGO1d突变引起四倍体小麦育性降低

4．3 讨论

第五章 全文结论

5．1 普通小麦幼穗发育关键阶段的转录组分析

5．2 普通小麦幼穗发育关键阶段的miRNA分析

5．3 小麦AGO1d在花药发育中的功能鉴定

参考文献

附录

致谢

作者简历