溫、熱帶玉米特異轉(zhuǎn)座子的驗(yàn)證及功能初探.pdf

1、玉米作為全球三大糧食作物之一，在糧食、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用。玉米也是遺傳和進(jìn)化研究的理想模式植物之一。20世紀(jì)40年代，麥克林托克首次在玉米中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子，隨后轉(zhuǎn)座子的神秘面紗便一步一步被揭開。轉(zhuǎn)座子在玉米基因組中扮演了至關(guān)重要的作用，玉米基因組85％以上序列由轉(zhuǎn)座子序列組成，同時(shí)轉(zhuǎn)座子發(fā)生轉(zhuǎn)座也會(huì)對(duì)玉米各項(xiàng)生理活動(dòng)產(chǎn)生影響。
　　根據(jù)前期對(duì)溫、熱帶玉米自交系基因組轉(zhuǎn)座子掃描與分布特征等的研究結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選擇溫、熱

2、帶玉米中特異轉(zhuǎn)座子位點(diǎn)進(jìn)行PCR驗(yàn)證。驗(yàn)證群體由458份玉米自交系、105份地方品種以及75份大芻草構(gòu)成。同時(shí)，利用部分玉米自交系的農(nóng)藝性狀及籽粒轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)的關(guān)聯(lián)分析，以揭示轉(zhuǎn)座子插入對(duì)農(nóng)藝性狀、基因表達(dá)的影響。為進(jìn)一步研究轉(zhuǎn)座子插入是否會(huì)影響環(huán)境脅迫下鄰近基因的表達(dá)，結(jié)合關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，比較脅迫條件下發(fā)生轉(zhuǎn)座子插入和未發(fā)生轉(zhuǎn)座子插入玉米自交系中轉(zhuǎn)座子鄰近基因的FPKM值(Reads Per Kilo base of

3、exon model per Millionmapped reads)的變化。主要研究結(jié)果如下:
　　1、溫、熱帶玉米自交系中轉(zhuǎn)座子插入頻率的PCR驗(yàn)證。選擇基因組中預(yù)測(cè)的2個(gè)轉(zhuǎn)座子(DTM-4-225713639和DTM-2-4101264)，在458份玉米自交系、105份地方品種以及75份大芻草進(jìn)行PCR驗(yàn)證。其中80份玉米自交系與前期基因組轉(zhuǎn)座子預(yù)測(cè)的材料相同，DTM-4-225713639和DTM-2-4101264轉(zhuǎn)座子

4、在80份溫、熱帶玉米自交系中的插入頻率分別為0.559、0.152和0.250、0.800。同時(shí)，在458份玉米自交系中進(jìn)一步驗(yàn)證轉(zhuǎn)座子插入頻率，DTM-4-225713639和DTM-2-4101264轉(zhuǎn)座子在溫、熱帶玉米自交系中的插入頻率分別為0.423、0.180和0.412、0.685。電泳帶型統(tǒng)計(jì)顯示溫、熱帶玉米自交系中存在兩種不同的差異條帶，說明了兩個(gè)轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)不僅真實(shí)存在溫、熱帶玉米自交系，且插入頻率與基因組中預(yù)測(cè)的插

5、入頻率基本吻合。此外，在105份地方品種和75份大芻草中檢測(cè)到這2個(gè)轉(zhuǎn)座子的插入頻率存在差異，在地方品種中的插入頻率分別為0.248和0.883，這與玉米自交系中的插入頻率較接近，在大芻草中的插入頻率僅為0.029和0.081，說明了轉(zhuǎn)座子跟玉米馴化有重要的關(guān)聯(lián)。
　　2、轉(zhuǎn)座子插入與農(nóng)藝性狀、基因表達(dá)量的關(guān)聯(lián)分析。利用Tassel3.0軟件中的一般線性模型模型，在關(guān)聯(lián)群體中對(duì)DTM-4-225713639轉(zhuǎn)座子的插入與27個(gè)農(nóng)藝

6、性狀和28850個(gè)基因表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果表明，DTM-4-225713639轉(zhuǎn)座子插入與玉米的吐絲期、抽雄期、雄穗主軸長(zhǎng)、雄穗分支數(shù)、穗位葉長(zhǎng)、穗行數(shù)、粒寬、散粉期、穗直徑等9個(gè)農(nóng)藝性狀以及21個(gè)基因表達(dá)量顯著關(guān)聯(lián)(P＜1/28850);特別是DTM-4-225713639轉(zhuǎn)座子與其上游25kb處的鄰近基因GRMZM2G018707顯著關(guān)聯(lián)。該基因在發(fā)生轉(zhuǎn)座子插入的玉米自交系中的FPKM平均值為0.8981，在未發(fā)生轉(zhuǎn)座子插入的

7、玉米自交系中的FPKM平均值為1.3306?；虮磉_(dá)量分析結(jié)果顯示DTM-4-225713639轉(zhuǎn)座子插入顯著抑制了GRMZM2G018707基因的表達(dá)。
　　3、脅迫條件下轉(zhuǎn)座子插入影響鄰近基因表達(dá)。在四種脅迫條件下，分析鄰近基因GRMZM2G018707和GRMZM2G018673的表達(dá)。在低溫脅迫、高溫脅迫、鹽脅迫和UV脅迫條件下，發(fā)生轉(zhuǎn)座子插入和未發(fā)生轉(zhuǎn)座子插入的玉米自交系中2個(gè)基因的表達(dá)量均發(fā)生了不同程度的變化，表明植物

8、應(yīng)答脅迫時(shí)轉(zhuǎn)座子插入對(duì)臨近基因的表達(dá)產(chǎn)生了一定的影響作用。鄰近基因的氨基酸序列比對(duì)和啟動(dòng)子結(jié)合元件分析，以預(yù)測(cè)鄰近基因的功能。結(jié)果表明，GRMZM2G018707和GRMZM2G018673基因啟動(dòng)子上存在多個(gè)與光周期、低溫和干旱等非生物脅迫相關(guān)結(jié)合元件。同時(shí)，GRMZM2G018673基因啟動(dòng)子內(nèi)部插入的轉(zhuǎn)座子序列上存在光周期結(jié)合元件和脅迫相關(guān)元件G-Box，推測(cè)轉(zhuǎn)座子插入對(duì)玉米響應(yīng)光周期的基因表達(dá)以及環(huán)境脅迫下鄰近基因GRMZM2G