基于基因共表达网络鉴定葡萄干旱调控路径中NAC转录因子的功能

Drought stress affects grape growth and causes decreases in crop productivity and quality of fruit and wine under water-deficit conditions in one third of China. The role of NAC transcription factors in drought stress tolerance have been proved in plants. The gene co-expression network is a efficient resource for inferring gene function and interaction among genes. In co-expression network, there are densely connected sub-networks that represents functional modules of gene members involved in a coherent biological process. In this study, we will construct a grape genome-wide gene co-expression network and partition the network into functional gene modules. We will also identify the NAC genes responding to drought stress in modules through analysis of microarray and validation of qRT-PCR. Overexpressing the NAC gene to suery the expression pattern of genes in the same module will be performed to infer the NAC regulated genes involved in drought stress response pathways.

我国三分之一以上的葡萄种植区位于干旱和半干旱地区，干旱使葡萄生长发育产生生理障碍，降低葡萄产量，影响葡萄浆果及葡萄酒品质。植物中NAC基因家族的一些成员参与植物的抗旱反应。基因共表达网络已成为基因功能、基因调控路径研究方面的重要工具。基因共表达网络模块中的基因存在共表达特性，它们参与到一个相对独立的生物学过程。本研究拟利用生物信息学的方法构建一张葡萄基因共表达网络，通过对网络特性的分析将网络分离成各功能模块。在全基因组水平上提取存在于网络模块中的NAC基因家族成员，经过芯片数据分析和qRT-PCR初步筛选对干旱有响应的NAC基因家族成员。通过在葡萄中过量表达这些候选NAC基因来研究同一个网络模块中其他基因的表达情况，从而得到受NAC基因过量表达影响的其他基因，初步推测受干旱诱导的NAC转录因子的调控路径。

基因组水平上分析基因家族是基因组学研究的一个重要手段，可以从进化的角度阐述各基因成员之间的亲缘关系和分化情况等，从而推测功能上的相关性。基因共表达网络是研究基因功能、基因调控路径方面的一个重要工具。基因共表达网络模块中的基因存在共表达特性，它们参与了一个相对独立的生物学过程。本项目将这两项技术结合起来用于分析植物中NAC基因家族成员参与的抗旱反应等生物学过程。葡萄基因组中共存在68个葡萄NAC基因，它们归属于21个亚家族，同一亚家族中成员具有相似的模体组成。共线性分析可以检测到葡萄中有51.5%的NAC基因由全基因组复制、染色体区段复制和串联重复形成。本项目构建的葡萄基因共表达网络包括27468个节点（基因）和152301条边（共表达关系）。模块分析得到2506个模块，64个葡萄NAC基因分布在56模块中。分析了模块中与NAC共表达基因的表达模式，启动子区顺式作用元件以及模块富集的GO。模块680响应ABC依赖的非生物胁迫，该模块中检测到2个富集的顺式作用元件。该模块包括VvNAC19。qPCR试验表明，不仅VvNAC19，模块680中所有基因都明显受干旱诱导。模块680提供了VvNAC19参与的响应干旱胁迫生物过程的调控信息。