基于水稻耐旱聚合系及其亲本基因组和转录组变异剖析耐旱性和产量的基因调控网络

摘要

干旱是影响水稻生长发育及产量的主要非生物胁迫，通过水稻基因芯片（57K探针）研究在干旱胁迫条件下全基因组表达谱的变化及共表达分析，探究具有不同 QTL位点结构的聚合系之间基因表达的差异，筛选功能相近表达模块，对于发掘耐旱相关基因，探明基因之间的相互作用及遗传网络，了解耐旱相关分子机理，并最终为水稻抗逆分子育种提供理论基础。对已有参考基因组序列的物种进行个体或群体的全基因组重测序可检测各品种中存在的各类变异信息及新基因，对该物种的遗传变异和分子育种等研究具有重要的指导意义。
　　本研究选用IR64为轮回亲本，以BR24（孟加拉地方品种）和Binam（伊朗农家品种）为供体培育的代表4类组群基因型（group genotype, GG）的8个聚合系作为研究材料，从表型、基因型、基因组和转录组变异方面对耐旱聚合系中影响水稻耐旱性和产量的5个QTL关联组（association group, AG）进行了系统和深入的剖析，确定了大量水稻耐旱性QTL的候选基因及其参与的代谢途径。该研究还比对了研究材料基因组的泛基因组和结构变异与3000份水稻种质资源重测序的结果，确定了各聚合系中存在的结构变异数及其与耐旱QTL间的关系，探讨了聚合系中各类结构变异及其携带的新基因对干旱作用机制的影响。
　　一）干旱胁迫下各聚合系产量均显著高于IR64，正常灌溉条件下，除 GG1外，其它三个基因型组内聚合系产量均低于IR64或与之持平；基因型组内各聚合系抗旱表型基本接近，不同基因型组聚合系之间具有各自不同特点，如GG1在严重干旱胁迫下的产量高于轻微胁迫下，推测存在更有效抗旱机制。
　　二）聚合系中5个抗旱选择关联组，AG1和 AG2位于调控网络上游，在所有聚合系中均存在，多为 DNA结合蛋白，参与应激响应，转录调节等过程，显著富集在内质网蛋白过程，植物病原菌互作和硫胺素合成等通路上，主要包括热激蛋白家族基因，类钙调蛋白基因等；主要在GG1中存在的AG3，AG5相互协同表达，与光合作用、ABA途径、JA/生长素、分裂素和丝氨酸/苏氨酸磷酸化途径、脂肪酸合成、硫胺素合成等通路相关。主要在GG2和GG3中存在的AG4主要为热激蛋白，剪接体，谷胱甘肽转移酶等。
　　三）内质网蛋白相关通路（osa04141）在所有导入系中均显著表达。控制植物生物钟的通路（osa04712）在 GG1特异表达，推测与缩短抽穗期和开花时间有关。丙酸合成通路（osa00940）在 GG1和 GG3特异表达，该通路中包含木质素合成的重要单元，推测为干旱胁迫下控制株高的因素之一。
　　四）基因共表达分析统计出多个功能类似基因模块，并筛选出与表型高相关性的模块中的核心基因，其中与结果与差异基因分析相互吻合。
　　五）聚合系及供体亲本中与 IR64比对后获得大量结构变异（SV），以缺失和易位为主，倒位和重复较少但是片段长度很大。在供体亲本和导入系中出现的 SV主要涉及多种抗性蛋白家族，结合蛋白，转录因子等；在导入系特异存在的 SV主要涉及凝集素，萌发素，细胞色素，蛋白激酶等。受 SV影响的多数未知基因在高粱、玉米和小麦等中高度同源并保守，推测与同源基因结构变异基因起源于祖先物种并在新物种进化时发生复制有关。
　　六）聚合系和IR64进行泛基因分析，预测出近1万个新基因，其中导入系中特异存在的新基因明显多于 IR64，以种质资源中的核心基因和籼稻组高频基因为主。GG3中新基因最多，GG2最少。在聚合系中特异表达的日本晴基因和新基因是各基因组抗旱性及产量差异的主要来源，有待于进一步大规模的功能验证。
　　七）在R语言环境下，自行构建org.Osativa.eg db软件包，适用于基因芯片分析流程，版本0.1。

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英文缩略词表

第一章 文献综述

1.1 水稻抗旱性的研究进展

1.2基因芯片技术

1.3 DNA测序技术

1.4本论文研究内容及意义

第二章 水稻抗旱基因聚合系全基因组耐旱和产量相关候选基因及通路挖掘

2.1 材料及方法

2.2 结果与分析

2.3讨论

2.4构建Organism packages（rice.db）

第三章 水稻抗旱基因聚合系基因共表达分析

3.1.材料与方法

3.2 结果与分析

3.3讨论

第四章水稻抗旱基因聚合系全及亲本结构变异及泛基因组分析

4.1材料方法

4.2结果与分析

4.3 讨论

第五章 结论

参考文献

附录

致谢

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