基于RNA-Seq的小麦穗部转录组分析及小麦可变剪接图谱分析

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小麦(Triticum aestivum L.)是我国最重要的粮食作物之一。提高产量一直是小麦育种工作的主要目标。小麦穗部性状对其产量起决定性作用,而在转录组水平对小麦穗部基因大范围表达谱的研究尚不深入。六倍体小麦基因组序列的发布为小麦转录组的研究提供了坚实的基础。基于小麦精细基因组图谱进行转录组图谱的研究,从而筛选和穗部发育相关的基因,对小麦相关分子育种是极其重要的。除了转录调控外,可变剪接(Alternative Splicing,AS)作为一种重要的转录后调控方式,对植物的生长发育具有重要的作用。但目前,在植物中关于可变剪接的报道多集中在响应逆境胁迫上,而对植物在正常生长发育过程中的可变剪接研究较少,尤其是在小麦中。本研究以“中国春”小麦为材料,基于二代测序仪的RNA测序技术,对小麦穗发育进行转录组分析;再结合公共数据库的小麦转录组数据,完成了对小麦不同组织、不同发育时期的可变剪接基因鉴定,可变剪切图谱的构建及比较分析。本研究对小麦(中国春)开花后5、10和15天的6个穗部样本进行转录组测序、分析,共鉴定到57,003个表达基因;通过差异表达分析,共鉴定到18,711个差异表达基因;基因功能富集分析显示,这些差异表达基因主要富集在与细胞壁的形成,有丝分裂过程,物质代谢和运输、光合作用及植物激素相关的过程或通路上。结合来源于公共数据库的小麦(中国春)四个不同组织和十个不同发育时期的19个RNA-Seq样本进行可变剪接分析,最终鉴定到210,014个可变剪接事件,对应27,919个可变剪接基因,占小麦多外显子基因的31.8%,其中有6500个被注释为“低可信度(Low Confidence)”的基因。其中,内含子保留类型的可变剪接事件最多,其次为可变的外显子末端类型,外显子跳跃类型最少。普通小麦是六倍体,对可变剪接在小麦同源亚基因组上的分布进行统计分析发现,B亚基因组上发生可变剪接的基因数量略高于A和D亚基因组。小麦不同组织内的可变剪接分析结果显示,叶片中的可变剪接基因数量最高,穗部稍低于叶片,籽粒中的最少。四种组织特异表达的可变剪接基因数量与该结果一致。小麦从幼苗到成熟的十个发育时期的可变剪接分析结果显示,可变剪接事件和基因数量在小麦生长发育过程中的变化存在一个明显的‘V’字型趋势,其中两个高峰分别在小麦出苗后14天和开花后5天,谷底在孕穗期,即营养生长到生殖生长的转折期。发育时期特异表达的可变剪接数量变化趋势与该结果一致。本研究进一步对小麦穗部可变剪接基因进行差异表达定量分析。共鉴定到72个在小麦穗发育过程中差异表达的可变剪接基因,该72个基因的表达模式聚类分析结果显示,21个基因表达量持续上调,19个基因表达量持续下调,32个基因表达量先上调后下调。基因功能富集分析表明,这些差异表达的可变剪接基因主要与代谢过程、细胞过程、生物学调节、响应刺激和生长等生物过程相关。本研究对小麦穗发育的转录组数据进行了基因表达量估计、差异表达分析及功能富集分析,再结合公共数据库的19个小麦(中国春)转录组数据构建了小麦可变剪接图谱,结果显示,小麦在正常生长发育过程中,有31.8%的多外显子基因进行可变剪接,包含6500个被注释为“低可信度(Low Confidence)”的基因。再进一步分析了可变剪接基因在小麦不同组织及不同发育时期的分布情况。最后对小麦穗发育的可变剪接基因进行了差异表达分析。本研究从转录组层次,揭示了穗发育过程的差异表达基因;构建了正常生长条件下,小麦不同组织和时期的可变剪接基因图谱,为后续小麦分子育种及相关基础研究奠定了基础。
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