基于RNA-Seq技术的不同倍性麻竹基因表达差异研究

Gene in the different ploidy plants will activate or silence, could lead to a new character appears or disappears. Understanding the difference of gene expression in different ploidy plants and how it affects the phenotypic traits is extremely important for genetic improvement of bamboo. Triploid (2n=3X=36)、hexaploid (2n=6X=72) and dodecaploid (2n=12X=144) were obtained from the same origin of embryogenic callus of Dendrocalamus latiflorus Munro by anther culture. Found through phenotypic observation, shoot yield, stomatal size, chlorophyll content, photosynthesis and transpiration rate of the different ploidy plants character significant difference. Leaves transcriptome profile of different ploidy anther-regenerated plants and F1 seedling samples will be compared using next-generation sequencing (RNA-Seq) technology. Gene expression patterns will be confirmed by qRT-PCR and Northern hybrid technology. While combining with pheotypic traits, we will explore the molecular mechanism of plant characteristics difference in different ploidy plants. Finally, 2-3 functional genes controlling important economic characters will be isolated and cloned. Our study will lay a certain foundation to functional genomics research and genetic breeding of bamboo.

基因在不同倍性的植株中会发生激活或沉默现象，可能导致新性状出现或消失。了解植物不同倍性植株的基因表达差异以及是如何影响表型性状的，对于竹子遗传改良极具重要意义。项目组在麻竹花药培养同一愈伤组织继代过程中获得了三倍体(2n=3X=36)、六倍体(2n=6X=72)和十二倍体(2n=12X=144)三种倍性的再生植株，通过表型观测发现，不同倍性植株间的出笋量、气孔大小、叶绿素含量、光合、蒸腾速率等性状存在显著差异。本研究将以这三种遗传背景一致的不同倍性植株以及杂交F1代的叶片为材料，利用新一代测序（RNA-Seq）技术分析基因在不同倍性植株间的表达差异，通过qRT-PCR和Northern杂交技术验证差异基因的表达模式，同时结合表型性状，探讨不同倍性麻竹植株性状差异的分子调控机理，分离克隆2-3个控制麻竹重要经济性状的功能基因，为麻竹分子遗传育种和功能基因组学研究奠定基础。

本研究以麻竹花药培养得到的三倍体(2n=3X=36)、六倍体(2n=6X=72)和十二倍体(2n=12X=144)三种倍性的再生植株和F1代实生苗为材料，通过形态、生理和解剖等方面的观测，分析其表型差异；并利用新一代测序（RNA-Seq）技术分析了不同倍性植株间的基因表达差异，验证基因表达模式，构建基因共表达网络，结合表型性状，探讨不同倍性麻竹植株性状差异的分子调控机理，筛选与控制麻竹生长的关键基因，为麻竹分子遗传育种与功能基因组学研究奠定一定理论和物质（基因）基础。主要取得以下研究进展：.（1）麻竹不同倍性花药再生植株及杂种F1代在生长性状、显微结构及生理指标方面存在显著差异。其中，十二倍体花药再生植株在出笋量、叶绿素含量、光合、蒸腾速率、叶片表皮厚度、梭形细胞大小、气孔大小等性状方面存在均优于其他倍性植株。.（2）对不同倍性麻竹进行了数字化基因表达谱测序(Digital Gene Expression, DGE)，不同倍性麻竹每个文库均获得3Mb的数据，并分别对麻竹花药三倍体、六倍体、十二倍体和F1代六倍体植株四个样品进行两两比对和总体比对后共获得8,396个差异基因，对差异基因进行GO、COG和KEGG功能注释，主要涉及转录调控，能量产生与转化，碳水化合物转运与代谢，细胞组分与进程等。.（3）通过qRT-PCR技术对差异基因的表达进行了验证，二者表达趋势较为一致；.（4）构建了差异基因共表达网络，共获得8个共表达模块包含8016个基因，结合表型性状，筛选了EXB3和TCP两个hub基因，推测这两个hub基因可能在调控细胞生长和出笋量方面发挥关键作用，并作为候选基因进行后续功能研究。.（5）推测了不同倍性表型差异的分子机理，即伴随着染色体的加倍，涉及细胞生长和分化的基因上调或下调表达，导致细胞增大，进而影响形态和生理特性的变化，如叶片增厚、出笋量增加、光合作用、呼吸作用速率以及抗逆性增强等等。本研究为麻竹遗传改良奠定了重要的理论和物质（基因）基础。