選擇性多聚腺苷化在水稻發(fā)育過程中的基因表達調(diào)控作用以及適應(yīng)性的研究.pdf

1、水稻（Oryza sativa）不僅是世界上最重要的糧食作物之一，也是單子葉模式植物。水稻品種japonica Nipponbare和indica93-11為兩個水稻亞種代表，廣泛的種植于我國的南北區(qū)域，對環(huán)境與氣候形成一定的適應(yīng)性，在我國形成北粳南秈的生產(chǎn)格局。它們各自具有獨自的生理特性和生長周期。轉(zhuǎn)錄組為特定生理條件下，細胞中全部轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的集合。通過對水稻發(fā)育過程轉(zhuǎn)錄組的研究，可以全面地了解基因表達調(diào)控在水稻發(fā)育過程中的調(diào)節(jié)作用以及

2、對環(huán)境適應(yīng)性。多聚腺苷化是基因在轉(zhuǎn)錄形成成熟的轉(zhuǎn)錄本之前的加工過程之一，即在轉(zhuǎn)錄本的3'末端適當位點進行切割并加上50-250個腺苷酸殘基，即poly(A)尾巴，通常也是產(chǎn)生一個成熟的轉(zhuǎn)錄本的最后一步。Poly(A)在基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過程中具有重要的生物學作用，比如決定轉(zhuǎn)錄子細胞核外運、參與蛋白質(zhì)翻譯起始復(fù)合物的形成、以及防止mRNA降解。水稻發(fā)育過程的轉(zhuǎn)錄組一直都是國內(nèi)外學者研究的熱點，但是利用高通量測序技術(shù)全基因組范圍內(nèi)對水稻發(fā)育過

3、程中相關(guān)基因的3'末端的信息研究的非常少。
　　本論文利用PAT-seq(Poly(A)tag sequence)高通量測序技術(shù)研究了水稻兩個模式品系日本晴和93-11發(fā)育過程中不同時期不同組織中基因的選擇性多聚腺苷化（Alternative polyadenylation，或APA）動態(tài)變化以及多聚腺苷化信號使用情況，同時利用統(tǒng)計學方法對日本晴數(shù)量性狀基因（Quantitative trait loci，或QTL）的表達和APA

4、的關(guān)系進行闡述，最后對93-11和日本晴形成南北適應(yīng)性的分子機制進行探討。通過全面而系統(tǒng)的了解兩個水稻亞種發(fā)育過程中選擇性多聚腺苷化動態(tài)變化以及對基因表達調(diào)控的影響，并深入探索APA在水稻發(fā)育過程中的生物學作用，為理解水稻發(fā)育過程中基因表達轉(zhuǎn)錄后調(diào)控提供新的認識，同時為育種工作提供參考。
　　主要結(jié)果如下:
　　(1)利用PAT-seq測序技術(shù)對水稻日本晴發(fā)育過程中不同時期不同組織共14個樣本的轉(zhuǎn)錄本進行3'末端測序，共得到

5、136，955，352個PAT，聚成68，220個PAC(Poly(A) site cluster)，分布在28，032個基因。其中，有13，419個基因(47.9％)有2個或者2個以上的PAC，說明在水稻日本晴發(fā)育過程中廣泛發(fā)生APA現(xiàn)象。在日本晴水稻花粉中發(fā)現(xiàn)最多組織特異性的PAC，其中有大約一半來源于表達基因的內(nèi)含子區(qū)域。進一步分析發(fā)現(xiàn)，這些組織特異性的PAC富集在能量代謝、重要氨基酸代謝以及防御等通路之中。主成分分析(Princ

6、ipal component analysis，或PCA)發(fā)現(xiàn)日本晴花粉中具有明顯不同的PAC表達模式，并且發(fā)現(xiàn)花粉表達的基因內(nèi)含子區(qū)域的PAC單核苷酸輪廓和PAS(Poly(A) signal)與其他組織明顯不同，進一步研究發(fā)現(xiàn)日本晴花粉的多聚腺苷化因子的表達水平與其他組織（比如20天的葉）也不同。這暗示水稻花粉的多個生物學事件與其他組織的不同可能與花粉的多聚腺苷化因子的表達水平發(fā)生變化有關(guān)。在水稻日本晴發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)許多APA位點變

7、換基因，日本晴發(fā)育的早期階段基因傾向于使用遠端的PAC，后期傾向使用近端的PAC，同時發(fā)現(xiàn)APA變換現(xiàn)象改變了基因的表達水平。我們還發(fā)現(xiàn)差異表達的PAC和差異表達的基因是兩個獨立的生物學事件，兩類基因富集的生物學過程也基本不同。通過統(tǒng)計學方法發(fā)現(xiàn)，QTL傾向于使用APA基因。QTL可以在不增加基因數(shù)量的前提下通過使用APA基因從而達到對QTL的微調(diào)。同時發(fā)現(xiàn)，與QTL關(guān)聯(lián)的高表達基因的PAC主要分布在植株高度、抽穗日數(shù)、穗數(shù)、千粒重、分

8、蘗數(shù)、根干重、籽粒產(chǎn)量、穗長和穗數(shù)等，暗示APA在調(diào)控水稻農(nóng)藝性狀方面的潛能。通過比較兩個水稻亞種的PAT-seq數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冷脅迫關(guān)鍵應(yīng)答因子OsDREB1F在日本晴中發(fā)生了APA現(xiàn)象，而在93-11中沒有發(fā)生APA現(xiàn)象，可能與日本晴耐受相對低溫環(huán)境而適合北方種植有關(guān)。
　　(2)利用同日本晴相同的方法，對秈稻品系93-11的發(fā)育過程中不同時期不同組織共14個樣本的轉(zhuǎn)錄本進行3'末端測序，共得到137，398，368個PAT，聚成

9、63，502個PAC，分布在24，786個基因中。其中，有10，724(42％)個基因有2個或者2個以上的PAC，說明在93-11發(fā)育過程中也廣泛發(fā)生APA現(xiàn)象。在93-11花粉中也發(fā)現(xiàn)最多組織特異性的PAC，其中有大約一半來源于表達基因的內(nèi)含子區(qū)域。這些組織特異性的PAC富集在一些雜環(huán)化合物分解代謝相關(guān)的生物學過程，暗示組織特異性的PAC參與了花粉中的一些防御性物質(zhì)的生成。聚類分析發(fā)現(xiàn)93-11花粉中也具有明顯不同的PAC表達模式，但