水稻苗期高温胁迫相关的编码基因与长链非编码RNA解析

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水稻(Oryza sativa L.)是世界近三分之一人口的主食,更是我国重要的粮食作物。然而,随着全球气候变暖特别是极端高温天气的频发,给世界水稻生产带来了严重影响。因此,理清水稻耐热性的分子调控机理、挖掘出耐热性功能基因并培育出耐热性水稻品种将是应对这种挑战的重要途径。本研究对两份耐热性存在显著差异的水稻材料:珍汕97B(ZS97B)和苏引稻2号(SYD2)进行苗期高温胁迫处理,分别在处理后的0、2和6天取样(3次重复)进行链特异性转录组测序(ssRNAseq);比较和分析样品的基因表达谱变化,筛选差异表达基因进行功能分析;通过构建差异表达基因的调控网络挖掘热胁迫响应核心基因。同时,对水稻全基因组长链非编码RNA(lncRNA)进行识别鉴定、基本特征、靶基因预测和功能等分析,筛选水稻热胁迫响应相关lncRNA。研究主要结果如下:1.共18个水稻叶组织样本被用于ssRNA-seq(150bp双末端),每个样本测序后均得到10G以上的高质量数据,基于转录本表达量对样本进行聚类分析表明:样本内3次重复间的一致性较好,测序数据可靠。2.对ZS97B和SYD2在胁迫2天和6天后的基因表达谱进行差异表达分析,共得到3282个差异表达基因(DEGs)。其中:99个DEGs在两种基因型水稻中表现出持续性上调(GroupⅠ),164个DEGs在两种基因型水稻中表现出持续性下调(GroupⅡ),291个DEGs在ZS97B中表现出特异性持续上调(GroupⅢ)。3.对以上3组基因集(GroupⅠ)进行了GO和KEGG注释和功能分析:GroupⅠ中基因主要在蛋白质折叠、响应热刺激、核质运输、肽酶抑制活性等关键基因本体上显著富集;GroupⅡ中基因主要在光合作用、跨膜转运、脂质生物合成、磷代谢过程、碳水化合物代谢过程和氧化还原过程等基因本体上显著富集;GroupⅢ基因主要在核糖体和过氧化物酶体/微体等相关基因本体上显著富集。4.上述3组基因的蛋白质互作网络(PPIⅠ)被分别构建,并筛选了处于网络拓扑结构中关键节点的基因作为各组DEGs的关键性调控基因,包括PPIⅠ中的5个关键基因(Os08g0326600,Os03g0831100,Os11g0703900,Os08g0487800,Os02g0115900),PPIⅡ中的6个关键基因(Os04g0459500,Os12g0420200,Os04g0234600,Os01g0866400,Os08g0566600,Os11g0267000)和PPIⅢ中的5个关键基因(Os06g0274200,Os05g0552300,Os03g0350300,Os07g0673100,Os03g0271400)。5.在水稻全基因组中共预测得到2743个lncRNA,基于物理位置对其进行分类,包含1408个基因间lncRNA、323个反义lncRNA、960个同义lncRNA和52个内含子lncRNA。其中532个lncRNA与水稻已知lncRNA序列高度相似,余下的2211个lncRNA是本研究新预测的。lncRNA的基本特征分析表明:lncRNA在基因组分布均匀,无染色体偏倚;与mRNA相比,lncRNA表达量偏低、转录本长度较短、外显子数较少;物种间序列保守性较差。6.对预测的2743个水稻lncRNA进行了全基因组靶基因预测,其中1832个lncRNA成功地预测出了靶基因,对lncRNA的靶基因进行GO和KEGG富集分析的结果表明,lncRNA广泛参与了碳水化合物代谢、氨基酸代谢和脂质代谢等代谢过程,以及生物调节、应激反应和光合作用等细胞过程;许多靶基因也被富集在了蛋白质翻译、折叠加工等相关通路,这预示着lncRNA在蛋白质的翻译水平和翻译后水平调控上具有重要作用。7.共筛选出了31个与水稻苗期热胁迫响应紧密相关的lncRNA(HR-lncRNA),大部分HR-lncRNA在SYD2和ZS97B中的表达趋势一致。其中,16个HR-lncRNA被预测出靶基因,并发现许多lncRNA的靶基因在水稻热胁迫响应中发挥重要调控作用,如TCONS00092993的靶基因Os02g0711300和Os01g0337900参与热胁迫下细胞氧化还原稳态的维持,TCONS00100154的靶基因Os06g0195800是一个重要的热激蛋白,TCONS00005591的靶基因Os01g0719100参与水稻热胁迫下的气孔开放度调节等。
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