水稻耐热胁迫基因的挖掘及其表达分析

论文摘要

我国是世界上最大的水稻生产国和消费国,全球有超过一半的人口以水稻为主要粮食。水稻（Oryza sativa L.）属喜温作物,其生长需要适宜的温度。当环境温度超出水稻适宜生长温度的上限时,会影响其正常的生长发育并对产量造成损失。培育耐高温胁迫的水稻新品种是应对全球气候变暖导致气温升高的有效策略。随着水稻3K基因组测序工作的完成,使得从大量水稻品种的基因组中挖掘出耐热基因的研究成为可能,这可为耐高温胁迫水稻新品种的选育积累宝贵的基因资源。本研究首先从水稻3K基因组计划和NCBI数据库中下载获取22个具有不同耐热胁迫能力水稻品种的基因组重测序数据。其中水稻品种Azucena（CX151）为高温敏感型品种,其余21个为耐热胁迫型水稻品种;也从NCBI数据库的GEO数据库中下载热胁迫处理下高温敏感型水稻品种Azucena的RNA-seq数据,及前人研究获得的热胁迫处理下的耐热胁迫型水稻品种CO39的差异表达基因数据。然后,以The Rice Annotation Project（RAP）下载的Nipponbare基因组（Ver.7.0）为参考基因组,通过比较基因组学和比较转录组学系统的开展水稻抗热胁迫基因的挖掘,并分析其表达模式,主要研究结果如下所述。1.从基因组重测序数据中挖掘获得水稻耐热胁迫基因本文以水稻品种Nipponbare的基因组序列为参考基因组,将CO39、Pokkili和Bala等21种耐热胁迫型水稻品种和高温敏感型品种Azucena的基因组重测序数据分别比对到参考基因组上,再分别对耐热胁迫型水稻和高温敏感型水稻进行单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms,SNP）位点检测,其中在Azucena中共检测到920,481个高质量的SNPs,在21种耐热胁迫型水稻中共检测到了4,181,396个特异于高温敏感型水稻Azucena的高质量SNPs。通过对SNPs位点的注释,筛选分析其中的非同义突变（non-synonymous SNPs,nsSNPs）和无义突变（nonsense SNPs）,该类型的变异能引起基因所编码蛋白质的变化。最终,筛选得到525个在21个耐热胁迫型水稻品种中均存在的SNPs,其中有20个为nsSNPs,这些nsSNPs映射到15个基因中,分别为Os11g0587000,Os04g0244400,Os07g0614100,Os10g0168751,Os11g0233000,Os12g0225700,Os01g0153800,Os12g0438100,Os01g0150800,Os12g0631800,Os11g0229700,Os08g0254600,Os10g0133800,Os09g0349700和Os10g0141300。为下一步开展水稻潜在耐热基因的功能验证试验指明了方向。2.从转录组测序数据中挖掘获得水稻受热胁迫诱导表达基因从NCBI的GEO数据库下载热胁迫处理下高温敏感型水稻品种Azucena的RNA-seq数据,应用RNA-seq分析技术,获得热胁迫下水稻品种Azucena的差异表达基因。结果发现在热胁迫处理15min时,相对于其他时期,水稻品种Azucena中差异表达基因的数量最多,共检测到2486个差异表达基因,其中上调差异表达基因为1480个,下调差异表达基因为1006个。说明高温胁迫15min是水稻品种Azucena应对胁迫的关键时期。同时,本文也获得了在高温胁迫处理下耐热胁迫型水稻CO39中差异表达转录本,共3487个差异表达转录本,上调差异表达转录本有1014个,下调差异表达转录本有1498个。然后,筛选耐热胁迫型水稻品种CO39中特异于高温敏感型水稻品种Azucena的差异表达基因有2262个,表明耐热能力不同的水稻品种对热胁迫应激反应的模式不同。GO注释结果表明,两者相同的差异表达基因主要参与细胞稳态过程和蛋白质折叠,表明热胁迫下保持水稻内环境稳态是维持水稻生长最基本的条件。3.获得3个具有耐热nsSNPs又受热诱导表达的水稻基因本研究发现,在耐热水稻品种CO39中受热胁迫诱导上调表达的3个基因Os09g0349700、Os11g0229700和Os12g0631800,都有耐热胁迫特有的nsSNPs位点,预测分析发现nsSNPs分别能影响该3个基因蛋白质的功能,表明位点突变和受热胁迫诱导差异表达,使这3个基因在水稻应对热胁迫中发挥重要作用。其中Os09g0349700基因影响水稻的水分利用效率,而其存在的一个nsSNP使编码蛋白质序列中的第96位氨基酸由天冬酰胺突变成苏氨酸,导致耐热水稻品种获得耐高温胁迫能力。Os11g0229700基因功能与NBS-LRR蛋白类似,也是一种抗逆基因。热胁迫条件下耐热水稻品种CO39中Os12g0631800基因被上调表达5.06倍,且该基因在21种耐热胁迫型水稻中均存在一个nsSNP,使编码该蛋白的第143位氨基酸由蛋氨酸突变成苏氨酸,可能参与植株体内的氧化还原反应,促进植株耐高温胁迫。本文以基因组重测序数据和转录组数据为基础,通过比较高温敏感型水稻品种Azucena和21种耐热胁迫型水稻品种间的nsSNPs,挖掘到水稻潜在的耐热基因;也通过比较转录组学技术分析高温胁迫下耐热水稻品种CO39和高温敏感型水稻品种Azucena间不同的差异表达基因,挖掘到受热诱导上调表达的基因;最后,还筛选到3个既受热诱导上调表达又具有耐热nsSNPs的基因,为后续的基因功能验证试验指明了方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 高温热害对水稻生长发育的影响
•   1.2 水稻对热胁迫的应激反应
•   1.3 水稻耐热新品种的选育
•   1.4 基因组重测序分析技术
•     1.4.1 高通量测序数据及其质量控制
•     1.4.2 基因组重测序序列组装与比较分析
•     1.4.3 基因组SNPs的挖掘
•   1.5 转录组测序（RNA-seq）分析技术
•     1.5.1 RNA-seq技术原理
•     1.5.2 RNA-seq数据的分析应用
•   1.6 存在的问题与本文主要研究内容
• 2 材料与方法
•   2.1 数据收集
•     2.1.1 参考基因组及注释文件的收集
•     2.1.2 水稻基因组重测序数据的收集
•     2.1.3 转录组数据的收集
•   2.2 数据处理
•     2.2.1 高通量测序数据的质控
•     2.2.2 水稻潜在耐热胁迫SNPs的挖掘
•     2.2.3 突变位点的注释及筛选
•     2.2.4 转录组数据的组装和定量
•     2.2.5 基因差异表达分析
•     2.2.6 差异表达基因的GO注释
•     2.2.7 水稻耐热基因及受热诱导表达基因的筛选
•     2.2.8 预测ns SNPs对蛋白质功能的影响
•     2.2.9 对被ns SNPs影响的蛋白质进行功能结构的预测
• 3 结果与分析
•   3.1 供试水稻品种耐热性状分析
•   3.2 供试水稻品种的基因组重测序数据分析
•     3.2.1 供试水稻基因组重测序数据的质控
•     3.2.2 供试水稻品种基因组重测序数据的比对分析
•     3.2.3 供试22 个水稻品种的基因组突变位点分析
•     3.2.4 耐热胁迫水稻基因组中突变位点的注释分析
•     3.2.5 水稻潜在耐热胁迫基因突变位点的筛选
•   3.3 不同抗感性状水稻品种在热胁迫下的转录组数据分析
•     3.3.1 热胁迫下热敏感型水稻品种Azucena的转录组测序数据质控分析..
•     3.3.2 热胁迫下热敏感型水稻品种Azucena的差异表达基因分析
•     3.3.3 热胁迫下热敏感型水稻品种Azucena差异表达基因的GO注释分析
•     3.3.4 热胁迫下耐热水稻品种CO39 的差异表达基因分析
•     3.3.5 热胁迫下耐热型水稻品种CO39 差异表达基因的GO注释分析
•     3.3.6 热胁迫下水稻CO39和Azucena差异表达基因GO注释的比较分析
•     3.3.7 热胁迫诱导水稻差异表达基因的筛选
•     3.3.8 水稻品种CO39 潜在受热诱导表达基因的挖掘及GO注释分析
•   3.4 水稻品种中具有潜在耐热ns SNPs且差异表达的基因分析
•     3.4.1 水稻品种CO39 差异表达基因ns SNPs分析
•     3.4.2 3个水稻潜在耐热基因的GO注释分析
•     3.4.3 3个水稻潜在耐热基因上ns SNP对基因功能影响的预测分析
•     3.4.4 水稻耐热基因Os09g0349700上ns SNP位点对蛋白质结构的影响..
• 4 讨论
•   4.1 22个供试水稻品种全基因组重测序的组装质量
•   4.2 挖掘获得水稻潜在的耐热基因
•   4.3 挖掘获得水稻热胁迫诱导表达基因
•   4.4 获得3 个具有耐热ns SNPs又受热诱导表达的基因
• 5 展望
•   5.1 水稻潜在耐高温胁迫基因的功能验证
•   5.2 基因间的互作研究
• 参考文献
• 附录 A
• 附录 B
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王少波

导师: 何华勤

关键词: 水稻,高温胁迫,功能基因挖掘,基因组重测序,转录组

来源: 福建农林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 福建农林大学

分类号: Q943.2

总页数: 93

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