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水稻是一种重要的粮食作物,同时也是谷物研究的一种重要的模式生物。水稻的成熟胚是发育到一定阶段、拥有完整植株的营养器官雏形并且发育同步化的植物幼体。普遍认为其已经为后续的发育奠定了物质基础,并且有研究表明拥有杂交优势性状的F1在较早的胚的阶段就能表现出一些优势的性状,但是其中具体的基因表达情况还没有被全面了解。为了充分展示水稻成熟胚中基因的表达情况,了解其中的分子生物学过程以及鉴定在这一阶段表现出的杂交优势性状和相关基因,我们以超级杂交水稻两优培九(LYP9)及其父母本(父本93-11和母本PA64s)的成熟胚为材料,利用EST分析的手段对水稻成熟胚的转录组进行了研究。通过对基因表达丰度和功能的分析,我们对其基因表达谱特征有了全面的认识,并进一步通过比较分析杂交水稻(F1)相对其父母本转录组基因表达水平的变化,鉴定在成熟胚中积累的和杂交优势相关的基因,以期进一步了解杂交优势相关的分子机理。
我们构建了LYP9及其亲本成熟胚的cDNA文库,从每个文库进行随机测序(5端)约一万条。我们一共得到27,566条高质量的EST序列,经过软件拼接及手动检查,最终得到7,557条unigene(2,511条contig和5,046条singleton)。通过与公共数据库内的序列进行比对,我们总共注释了7,250个基因,占总数的95.9%。对这些基因进行表达丰度和功能分析(主要是GO和KAAS)的结果表明,成熟胚中特征性表达的基因集中在两大功能类——抗逆和发育。这与种子要在相当长的时间内、在完全干燥的情况下保持发芽能力的生理特点十分符合。在水稻的成熟胚里,有大量的、种类全面的抗逆相关基因表达,其中包括抗水胁迫,抗氧化损伤,抗真菌等。同时,保证种子重新活化以及之后的快速启动和后期发育所需的基因也大量表达。在进一步的比较分析中,我们利用General Chi Squared Test的方法在三个文库中共鉴定出191个统计学上显著的差异表达基因(P-value<=0.05,计算时考虑到每个文库的测序量),这些差异表达基因几乎覆盖了所有的表达模式。通过功能分析我们发现,各种模式的差异表达基因有很大程度上的功能上的相关性,并且大部分在成熟胚中特异性积累的基因在子代中表现为上调,而表达量比较低的基因更多的表现为下调。
我们在研究中获取的大量的EST为水稻成熟胚表达谱特征的分析奠定了基础,分析结果表明:在水稻成熟胚中,抗逆和发育相关的基因大量表达,为种子在干燥状态下保持活性和复水后快速发育奠定了基础。通过对子代和亲本间基因表达水平的比较分析我们鉴定出一些与杂交优势相关的基因,并对杂交优势产生的机理进行了分析。在子代中,成熟胚特异性高表达的基因大多表现为上调,使子代拥有一个更强的抗逆系统以及更有活力的后期发育,而这种组织特征性功能的增强在对其他组织的杂交优势相关研究中也有发现,可能是杂交优势产生的原因之一。