棉花细胞质雄性不育的转录组学与代谢组学研究

【摘要】雄性不育是指植物不能产生正常可育的花药、花粉或者雄配子。细胞质雄性不育(CytoplasmicMaleSterility,CMS)则是由细胞质和细胞核互作而导致的雄性不育。细胞质雄性不育在杂种优势利用中具有重要的应用价值,同时又是研究核—质互作的良好材料。目前,虽然植物细胞质雄性不育形成的分子机制尚未完全被揭示,但是大多数研究结果表明细胞质雄性不育基因位于线粒体基因组上,线粒体基因组重排可能导致线粒体功能紊乱,并对核基因组表达产生强烈的反向调控作用,进而导致细胞质雄性不育的形成。本实验室前期研究指出细胞质反向调控作用可能是棉花细胞质雄性不育形成的主要分子机制。棉花细胞质雄性不育系和保持系是一对同核异质系,研究花粉发育过程中两者花药基因表达谱的差异,可以深入了解细胞质雄性不育基因的反向调控作用,揭示棉花细胞质雄性不育形成的分子机制。代谢组作为基因组表达的最终产物,直接决定细胞或组织的生物化学表型,代谢组学研究可以更好地解析细胞质雄性不育形成的生化机制。将转录组和代谢组数据进行整合分析,描绘基因作用网络和代谢作用网络以及两者之间的相互关系,是揭示细胞质雄性不育形成及其调控机理的有效途径。本研究以棉花细胞质雄性不育系中棉所12A(细胞质来自104-7A)和保持系中棉所12为研究材料,采用Illumina新一代高通量测序技术对花药转录组表达谱进行比较分析：共鉴定3,190个表达差异的基因(P≤0.001,|log2Ratio|≥1)。差异基因的GO功能富集和生物途径富集分析结果表明,这些差异基因主要参与碳水化合物代谢途径、脂肪酸代谢途径以及次级代谢物生物合成与代谢途径,尤其是苯丙素生物合成与代谢途径、黄酮类生物合成途径等。Mapman分析结果表明差异基因也主要定位在这些途径中。其中,有474个差异基因为转录因子,属于bHLH、C3H、MYB-related、PHD.MADS、Ap2-EREBP、FAR1、mTERF、WRKY、Orphans、MYB、C2H2、NAC、TRAF、ABI3VP1和Tify等57个家族,因此反向调控作用主要通过转录水平调控实现。另外,有146个差异表达基因参与包括乙烯、生长素、脱落酸、赤霉素、细胞分裂素、水杨酸、茉莉酸以及油菜素内酯等8大类激素的合成、响应以及信号转导过程。采用代谢物衍生化程序结合气相色谱质谱联用(GC-MS)和液相色谱质谱联用(LC-MS)两种分析技术对不育系和保持系花药差异积累的代谢物进行分离和鉴定。通过GC-MS分析共获得141个重复性较好的色谱峰。匹配度达70%以上且物质名称已经被准确鉴定的物质有82种,其中43种在不育系和保持系中有显著性差异,主要包括糖类、有机酸和氨基酸等,这些物质主要参与植物激素生物合成途径、苯丙素等次级代谢物合成途径、ABC转运和芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸等)生物合成途径与代谢途径。LC-MS分析分正离子模式和负离子模式分别进行,分别检测到得分在70分以上的色谱峰2,403和2,313个,将其中90分以上、差异倍数大于32的色谱峰进行搜库分析,分别鉴定出255、207种化合物。其中在不育系中相对于保持系中积累上调的组分有31种,下调的组分有431种。主要为苯丙素、黄酮类、萜类等化合物,主要涉及苯丙素生物合成、黄酮类生物合成等次级代谢物生物合成途径。对转录组和代谢组数据进行综合分析,推测苯丙素、黄酮类物质合成受阻、代谢加快导致体内这类物质积累减少,这可能是导致104-7A棉花细胞质雄性不育形成的原因之一。
【作者】王娇；
【导师】刘康；
【作者基本信息】南京农业大学，作物遗传育种，2013，硕士
【关键词】棉花；细胞质雄性不育；转录组；代谢组；苯丙素；

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