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作为重要的豆科植物,大豆不仅具有根瘤固氮特性,而且种子中油脂含量丰富。大豆中油脂合成机制和固氮特性,一直以来是科学研究热点。目前,人们对大豆的油脂合成机制和根瘤固氮特性已经有基本了解,并且成功克隆和鉴定了一系列相关的关键基因。但是,根瘤固氮过程和油脂合成途径均是比较复杂的生物过程,涉及到众多酶的协同作用,目前研究却主要局限在单个酶或少数几个酶的分析。因此,从全基因组水平对种子高油脂含量和根瘤固氮特性的分子机制进行全面剖析是十分必要的。针对以上科学问题,本研究结合基因组、转录组及蛋白组等多组学数据,试图探索高油植物种子中油脂含量高的进化机制以及豆科植物与根瘤菌互作的分子基础。主要包括两部分:1)结合比较基因组学和比较转录组学方法对4个高油双子叶植物(油脂含量20-50%)和3个低油单子叶植物(<3%)进行分析,并鉴定4个高油植物特有的油脂合成相关基因、种子不同发育时期的差异表达基因、以及高油植物和低油植物间差异表达基因。同时,鉴定了大豆中可能参与油脂合成调控的转录因子;2)通过同源映射(interolog)和结构域相互作用(DDI)的方法,在全基因组水平构建了大豆与大豆慢生型根瘤菌USDA 110之间的蛋白质-蛋白质互作网络;然后,通过计算GO术语相似度、蛋白表达相关性和在根瘤中表达情况对构建的蛋白质互作网络的准确性进行评估:最后,进行了互作网络蛋白质的功能分类、鉴定了高网络连接度蛋白和分析大豆根瘤固氮相关子网络。主要结果如下:1)使用4个高油植物和3个低油植物的全基因组252443个基因,鉴定得到了 1534个所选高油植物中特异存在的基因家族,其中包括4051个大豆基因、2758个棉花基因、1731个蓖麻基因和2152个拟南芥基因。以大豆为载体,结合Gene Ontology富集分析和共表达网络分析鉴定大豆中与油脂代谢相关的4个高油植物特有基因。结果表明,54个本研究高油植物特有基因直接参与油脂代谢途径;93个本研究高油植物特有基因与油脂代谢相关,其中43和27个基因分别参与碳水化合物的降解和转运。结合大豆种子七个不同发育时期的转录组数据,探究油脂合成途径中关键基因的表达模式。结果表明,油脂合成中的关键基因ACCase、PP、DGAT1、PDAT1、OLEs和STEROs在种子油脂快速积累时期出现显著的表达上调。系统发育分析发现OLE在高油双子叶植物和低油单子叶植物中具有不同的进化机制,双子叶植物中OLE出现特异加倍。此外,大豆中种子特异表达转录因子GmTZF4、GmGRF5和ABI5可能调控油脂合成。为验证上述一系列候选基因,以两个低油野生大豆ZYD4364和Y117249(种子油脂含量分别为11.9%和12.5%),以及高油栽培大豆邯豆5(22.3%)为材料,检验候选基因在不同组间的差异表达信息。结果显示,93个与油脂代谢相关的4个高油植物特有基因中,17个基因在高油和低油大豆品种间出现差异表达;17个在种子油脂快速积累时期出现显著的表达上调的基因ACCase、PP、DGAT1、PDAT1、OLEs和STEROs同时在大豆高油品种和低油品种中差异表达,而且这些基因主要分布在脂肪酸从头合成的起始阶段、TAG合成的最后阶段和油体蛋白组装阶段。种子特异表达转录因子GmTZF4、GmGRF5和ABI5均在高油和低油大豆品种间差异表达。2)借助拟南芥、秀丽隐杆线虫、果蝇、大肠杆菌、人类、小家鼠和酿酒酵母7个模式生物的蛋白质相互作用实验数据,结合同源映射和结构域互作的方法,预测了大豆与R drazoefficientsUSDA 110之间的5115个蛋白质互作对(PPIs),共包含2291个大豆蛋白、290个根瘤菌蛋白和60个在不同物种间保守的PPIs。通过计算GO术语相似值(simJCBP、simJCMF和simJCCC)、两个蛋白表达量的相关系数以及在根瘤中是否表达,评估所构建蛋白质互作网络的准确性。结果表明,预测的蛋白网络中两个互作蛋白在GO的3个水平术语相似度值simJCBP、simJCMF和simJCCC为1.0的比例(33.29%、33.50%和52.48%)均显著高于随机水平(6.13%、13.81%和7.68%),蛋白质对的PCC值大于0.6的比例(23.84%)显著高于随机蛋白质对(13.80%),且与B.drazoef cients USDA 110 互作的 2291 个大豆蛋白中 71.80%在根瘤中表达(FPKM>5)显著高于基因组平均水平33.34%。说明预测网络具有一定的准确性。为了进一步探究大豆与B.drazoefficients USDA 110物种间蛋白互作网络中蛋白质的功能,分别对这些蛋白进行分类和GO富集分析、高连接度蛋白鉴定和子网络分析。结果表明,1)根瘤菌中与大豆互作的蛋白主要为离子通道蛋白、阳离子转运蛋白和碳水化合物转运蛋白;大豆中与根瘤菌互作的蛋白主要为物质代谢、物质运输、信号转导、响应刺激等生物代谢过程相关酶;2)大豆高连接度蛋白主要为离子通道、钙离子结合蛋白、tubulin和热激蛋白;B.drazo ficientsUSDA110中主要为金属蛋白酶、aqpZ和离子转运ATP酶;3)子网络分析发现根瘤菌蛋白BAC45924、2个大豆14-3-3蛋白(SGF14k和SGF14g)和18个大豆SNARE蛋白可能在根瘤固氮系统中发挥作用,且SGF14k和SGF14g可能调控根瘤菌二羧酸转运蛋白DctA,大豆SNARE蛋白可能调控根瘤菌的离子通道蛋白以及铵的转运。