玉米泛轉錄組的構建及玉米開花抑制因子ZmCOL3的功能解析.pdf

1、玉米是世界上重要的糧食作物之一，約10，000年前從位于熱帶地區(qū)墨西哥的大芻草馴化而來。玉米具有豐富的遺傳變異，是遺傳學研究的經典模式植物之一。以自交系B73為參考的玉米基因組于2009年構建完成，為玉米復雜性狀的遺傳剖析打下了夯實的基礎。然而，一個參考基因組不足以代表整個玉米群體的遺傳水平，存在于其它玉米材料中的特有基因亦有很大研究價值。如今二代測序技術的發(fā)展大大降低了基因組測序的成本，而轉錄組測序(RNA-seq)是比基因組測序更為

2、簡單經濟的技術手段。本論文的第一部分研究是基于本課題組關聯(lián)群體368份玉米材料授粉后15天籽粒的RNA-seq數據，通過de novo組裝的方法挖掘B73參考基因組中不存在的新轉錄本，構建玉米的泛轉錄組。同時根據此泛轉錄組以基因表達的有無作為標記，利用全基因組關聯(lián)分析（Genome-wide Association Study,GWAS）探究其對農藝性狀、代謝物含量及基因表達不同層次的表型貢獻。具體研究結果如下:
　　1.在籽粒表

3、達的38，032個參考基因組注釋基因中，有13，382個被鑒定為ePAV（expression Presence and Absence Variation，衡量不同材料中表達與否的變異，相較于表達量變化來說可視為一種定性的較為極端變異），并富集于與調控相關的功能。利用芯片鑒定的基因型進行推斷，約1％的ePAV基因是由于序列結構變異(Presence and Absence Variation，PAV)導致。
　　2.群體de n

4、ovo組裝共得到2，355條參考基因組上不存在的新轉錄本，總長為1.9Mb。其中1，318條可以在禾本科及其它模式植物中得到較為詳細的注釋信息，145條預測具有蛋白質編碼能力，248條可能為小RNA的前體序列，644條被注釋為長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)。
　　3.GWAS結果顯示，分別有2，023個ePAV和814條新轉錄本可以顯著影響關聯(lián)群體的農藝性狀和代謝性狀。此外，通過對一個測交

5、群體研究發(fā)現，雙親本間ePAV和新轉錄本的互補對雜種優(yōu)勢亦有一定的貢獻。
　　4.模擬分析發(fā)現玉米泛轉錄組是閉合型的，估計玉米籽粒表達的基因總數目在63，000個左右?？紤]到在玉米籽粒中表達的基因占總基因的70％～80％，因而推測玉米群體基因數目為78，000～84，000。
　　此項研究針對遺傳多樣的自然群體展開分析，可以盡可能挖掘更多的新轉錄本，并且通過GWAS的方法系統(tǒng)地探究了轉錄水平基因對表型的貢獻。
　　本論

6、文的第二部分研究則是對玉米開花抑制因子ZmCOL3進行功能分析。開花期是玉米從熱帶到溫帶演化過程中重要的適應性性狀，了解開花期的遺傳基礎有助于玉米種質資源的利用。前人研究表明植物中的CCT基因家族影響開花期。此項研究鑒定出了玉米基因組中的CCT基因家族，并結合連鎖分析、候選基因關聯(lián)分析和同源分析的方法系統(tǒng)地評估了CCT基因家族對開花期的貢獻。在此基礎上鑒定到1個重要的CCT基因(ZmCOL3)，并通過轉基因功能驗證、重測序、遺傳分析、亞

7、細胞定位和下游調控網絡構建系統(tǒng)解析了其功能。具體研究結果如下:
　　1.玉米B73參考基因組中共有53個CCT基因，可分為4個亞家族:27個COL基因、15個CMF基因、8個PRR基因和3個TIFY基因。
　　2.在53個玉米CCT基因中，有28個位于前人連鎖分析定到的開花期QTL(Quantative Trait Locus)區(qū)間內，有15個與關聯(lián)群體開花期顯著相關，有13個基因與水稻開花基因同源，有3個基因能同時被3種方

8、法定到。
　　3.ZmCOL3屬于COL亞家族，它主要在葉片、莖節(jié)和胚中表達，表達量在光照3.5h后達到峰值。亞細胞定位顯示ZmCOL3蛋白位于細胞核。ZmCOL3是一個開花抑制因子，在玉米中過表達ZmCOL3無論在長短日照下都能延遲開花3～4天。
　　4.ZmCOL3的3'-UTR區(qū)1個胞嘧啶的缺失以及啟動子區(qū)551bp的插入可能是潛在的功能位點;其可能影響生物鐘途徑或者結合ZmCCT啟動子區(qū)激活其轉錄而延遲開花。