選擇性多聚腺苷化在水稻發(fā)育過(guò)程中的基因表達(dá)調(diào)控作用以及適應(yīng)性的研究.pdf

1、水稻（Oryza sativa）不僅是世界上最重要的糧食作物之一，也是單子葉模式植物。水稻品種japonica Nipponbare和indica93-11為兩個(gè)水稻亞種代表，廣泛的種植于我國(guó)的南北區(qū)域，對(duì)環(huán)境與氣候形成一定的適應(yīng)性，在我國(guó)形成北粳南秈的生產(chǎn)格局。它們各自具有獨(dú)自的生理特性和生長(zhǎng)周期。轉(zhuǎn)錄組為特定生理?xiàng)l件下，細(xì)胞中全部轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的集合。通過(guò)對(duì)水稻發(fā)育過(guò)程轉(zhuǎn)錄組的研究，可以全面地了解基因表達(dá)調(diào)控在水稻發(fā)育過(guò)程中的調(diào)節(jié)作用以及

2、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性。多聚腺苷化是基因在轉(zhuǎn)錄形成成熟的轉(zhuǎn)錄本之前的加工過(guò)程之一，即在轉(zhuǎn)錄本的3'末端適當(dāng)位點(diǎn)進(jìn)行切割并加上50-250個(gè)腺苷酸殘基，即poly(A)尾巴，通常也是產(chǎn)生一個(gè)成熟的轉(zhuǎn)錄本的最后一步。Poly(A)在基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過(guò)程中具有重要的生物學(xué)作用，比如決定轉(zhuǎn)錄子細(xì)胞核外運(yùn)、參與蛋白質(zhì)翻譯起始復(fù)合物的形成、以及防止mRNA降解。水稻發(fā)育過(guò)程的轉(zhuǎn)錄組一直都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，但是利用高通量測(cè)序技術(shù)全基因組范圍內(nèi)對(duì)水稻發(fā)育過(guò)

3、程中相關(guān)基因的3'末端的信息研究的非常少。
　　本論文利用PAT-seq(Poly(A)tag sequence)高通量測(cè)序技術(shù)研究了水稻兩個(gè)模式品系日本晴和93-11發(fā)育過(guò)程中不同時(shí)期不同組織中基因的選擇性多聚腺苷化（Alternative polyadenylation，或APA）動(dòng)態(tài)變化以及多聚腺苷化信號(hào)使用情況，同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)日本晴數(shù)量性狀基因（Quantitative trait loci，或QTL）的表達(dá)和APA

4、的關(guān)系進(jìn)行闡述，最后對(duì)93-11和日本晴形成南北適應(yīng)性的分子機(jī)制進(jìn)行探討。通過(guò)全面而系統(tǒng)的了解兩個(gè)水稻亞種發(fā)育過(guò)程中選擇性多聚腺苷化動(dòng)態(tài)變化以及對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的影響，并深入探索APA在水稻發(fā)育過(guò)程中的生物學(xué)作用，為理解水稻發(fā)育過(guò)程中基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控提供新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為育種工作提供參考。
　　主要結(jié)果如下:
　　(1)利用PAT-seq測(cè)序技術(shù)對(duì)水稻日本晴發(fā)育過(guò)程中不同時(shí)期不同組織共14個(gè)樣本的轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行3'末端測(cè)序，共得到

5、136，955，352個(gè)PAT，聚成68，220個(gè)PAC(Poly(A) site cluster)，分布在28，032個(gè)基因。其中，有13，419個(gè)基因(47.9％)有2個(gè)或者2個(gè)以上的PAC，說(shuō)明在水稻日本晴發(fā)育過(guò)程中廣泛發(fā)生APA現(xiàn)象。在日本晴水稻花粉中發(fā)現(xiàn)最多組織特異性的PAC，其中有大約一半來(lái)源于表達(dá)基因的內(nèi)含子區(qū)域。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這些組織特異性的PAC富集在能量代謝、重要氨基酸代謝以及防御等通路之中。主成分分析(Princ

6、ipal component analysis，或PCA)發(fā)現(xiàn)日本晴花粉中具有明顯不同的PAC表達(dá)模式，并且發(fā)現(xiàn)花粉表達(dá)的基因內(nèi)含子區(qū)域的PAC單核苷酸輪廓和PAS(Poly(A) signal)與其他組織明顯不同，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)日本晴花粉的多聚腺苷化因子的表達(dá)水平與其他組織（比如20天的葉）也不同。這暗示水稻花粉的多個(gè)生物學(xué)事件與其他組織的不同可能與花粉的多聚腺苷化因子的表達(dá)水平發(fā)生變化有關(guān)。在水稻日本晴發(fā)育過(guò)程中發(fā)現(xiàn)許多APA位點(diǎn)變

7、換基因，日本晴發(fā)育的早期階段基因傾向于使用遠(yuǎn)端的PAC，后期傾向使用近端的PAC，同時(shí)發(fā)現(xiàn)APA變換現(xiàn)象改變了基因的表達(dá)水平。我們還發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)的PAC和差異表達(dá)的基因是兩個(gè)獨(dú)立的生物學(xué)事件，兩類(lèi)基因富集的生物學(xué)過(guò)程也基本不同。通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法發(fā)現(xiàn)，QTL傾向于使用APA基因。QTL可以在不增加基因數(shù)量的前提下通過(guò)使用APA基因從而達(dá)到對(duì)QTL的微調(diào)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，與QTL關(guān)聯(lián)的高表達(dá)基因的PAC主要分布在植株高度、抽穗日數(shù)、穗數(shù)、千粒重、分

8、蘗數(shù)、根干重、籽粒產(chǎn)量、穗長(zhǎng)和穗數(shù)等，暗示APA在調(diào)控水稻農(nóng)藝性狀方面的潛能。通過(guò)比較兩個(gè)水稻亞種的PAT-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冷脅迫關(guān)鍵應(yīng)答因子OsDREB1F在日本晴中發(fā)生了APA現(xiàn)象，而在93-11中沒(méi)有發(fā)生APA現(xiàn)象，可能與日本晴耐受相對(duì)低溫環(huán)境而適合北方種植有關(guān)。
　　(2)利用同日本晴相同的方法，對(duì)秈稻品系93-11的發(fā)育過(guò)程中不同時(shí)期不同組織共14個(gè)樣本的轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行3'末端測(cè)序，共得到137，398，368個(gè)PAT，聚成

9、63，502個(gè)PAC，分布在24，786個(gè)基因中。其中，有10，724(42％)個(gè)基因有2個(gè)或者2個(gè)以上的PAC，說(shuō)明在93-11發(fā)育過(guò)程中也廣泛發(fā)生APA現(xiàn)象。在93-11花粉中也發(fā)現(xiàn)最多組織特異性的PAC，其中有大約一半來(lái)源于表達(dá)基因的內(nèi)含子區(qū)域。這些組織特異性的PAC富集在一些雜環(huán)化合物分解代謝相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程，暗示組織特異性的PAC參與了花粉中的一些防御性物質(zhì)的生成。聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)93-11花粉中也具有明顯不同的PAC表達(dá)模式，但