谷子籽粒发育期品质相关基因表达调控网络浅析

Molecular breeding has advantages over the traditional breeding in quality improvement which was important area in foxtail millet (Setaria italica L.) breeding. In this study, inbred Yugu1, accession of reference genome sequencing, was selected to analyze the gene expression and regulation relate to quality during seed development using transcriptome sequencing. The expression and regulation of mRNA, microRNA, and long non-coding RNA (lncRNA) was analyzed in this experiment. The purpose of this study is to get insight into the molecular basis of quality accumulation process, and establish bases for molecular breeding of quality improvement in foxtail millet. The detailed designs of the experiments are as followed: 1) to build the gene expression profiles during seed development, and annotate the different expressed genes and alternative splicing. 2) To study the expression profiles of mircoRNA during the seed development, and the regulation of the different expressed microRNA. 3) To analyze the changes in lncRNA expression, and predict the functions. 4) To mine the candidate genes related to material synthesis and transformation. To know molecular mechanism of quality accumulation would help to provide information for quality genes cloning, genetic transformation, and molecular design breeding, and was significance for molecular breeding and genetic improvement in millet.

提高品质是谷子育种的重要方向，分子育种在品质性状遗传改良方面较传统育种存在明显的优势。本项目以基因组测序材料豫谷1号不同发育时期的籽粒为材料，利用转录组测序的方法从mRNA、microRNA和长非编码RNA（lncRNA）三个切入点分析谷子籽粒发育进程中品质相关基因的表达与调控情况。主要目的是深入了解谷子籽粒品质形成的分子机制，为谷子品质分子育种奠定基础。研究内容包括：1、构建籽粒发育进程基因表达谱，注释差异表达基因与可变剪接；2、分析籽粒发育进程microRNA表达及差异表达microRNA对靶基因的调控；3、分析籽粒发育进程差异表达的长非编码RNA分析并预测功能；4、筛选谷子籽粒发育进程中物质积累、转化相关候选基因。本项目从转录组层面对谷子籽粒品质形成过程的分子机制进行整体研究，实验结果对品质相关基因的克隆、遗传转化、分子设计育种提供数据支持。对谷子品质育种、遗传改良具有重要意义。

提高品质是谷子育种的重要方向，分子育种在品质性状遗传改良方面较传统育种存在明显的优势。本项目以基因组测序材料豫谷1号不同发育时期的籽粒为材料，利用转录组测序的方法深入分析谷子籽粒发育进程中品质相关基因的表达与调控情况。主要研究内容包括：构建籽粒发育进程基因表达谱，注释差异表达基因与可变剪接；分析籽粒发育进程microRNA表达及差异表达microRNA对靶基因的调控；并通过以上结果联合分析筛选谷子籽粒发育进程中物质积累、转化相关候选基因。通过测序共构建69517条转录本，其中差异表达基因共372个，差异基因富集分析发现35个GO分类呈现明显富集，其中包括葡萄糖胺代谢分类、赤霉素合成分类等物质合成积累过程中的重要分类。同时我们对372个差异基因表达模式进行了研究，发现先缓慢上调再加速上调的基因数量最多，共包含73个基因。miRNA分析中共鉴定已知miRNA成熟体139种、miRNA前体161种，并预测到73种新的miRNA前体，所有miRNA中检测到数量最多的mir166家族，mir166家族通过对HD-Zip III转录因子等靶标的调控，在植物发育时期起着关键的调控作用。差异表达分析共鉴定186种差异表达miRNA，共调控4144个靶基因，靶基因富集分析显示氨基乙磺酸生物合成通路、泛酸生物合成通路基因显著富集。其中氨基乙磺酸通路在植物生长发育过程中起重要作用，有研究表明它对植物产量有一定影响。通过对mRNA和miRNA联合分析，共筛选出籽粒发育期物质合成相关候选基因32个，主要涉及赤霉素代谢通路和碳水化合物代谢通路基因。本项目从整个转录组层面对谷子籽粒品质形成过程的分子机制进行整体研究，本项目筛选出籽粒发育期物质合成相关候选基因经过验证后，可以对为课题组后续品质相关基因克隆、遗传转化、分子设计育种奠定基础。同时本项目所有数据已上传NCBI公共数据库，数据随论文发表而公开，这些数据为谷子基础研究，尤其是品质相关基础研究提供了重要的序列支持。