藥用野生稻中淀粉合成酶基因家族的進化.pdf

1、世界上近一半人口都以稻米為食，而稻米中最主要的成分就是淀粉，各國的科學家從基礎研究和應用等領域對水稻淀粉的合成過程和個體基因功能進行了大量的探索研究，為水稻優(yōu)質、高產(chǎn)、高抗做出了重要貢獻。對于控制淀粉合成的淀粉合成酶基因一直是科學研究關注的焦點，其重要性不言而喻。藥用野生稻(Oryzaofficinalis Wall.ex Watt)隸屬于禾本科(Poaceae)，是世界上最重要的糧食作物—水稻(O. sativa L.)的親緣種，也是

2、其遺傳改良的重要基因源。將藥用野生稻做為實驗對象進行深入研究，不但可以把握淀粉合成酶基因在同屬內的自然進化規(guī)律，而且可以為水稻的遺傳育種和品質改良提供必要的分子數(shù)據(jù)。鑒于此，本研究利用水稻基因組數(shù)據(jù)，在全面挖掘栽培稻淀粉合成酶基因家族整體進化細節(jié)的基礎上，選取藥用野生稻作為植物材料，通過轉錄組測序、基因體外擴增和測序以及qRT-PCR基因表達定量等實驗手段，全面總結了藥用野生稻內淀粉合成酶基因家族的基因構成、序列特點以及表達分化等進化特

3、點并探討了它們和栽培稻同源基因之間的具體差異。具體研究結果如下：
　　一、利用第二代測序技術，對藥用野生稻(O.officinalis)葉轉錄組進行了調查。結果獲得大約2.3×107個高質量的讀條，每個讀條長100bp，總計約2.1×109個堿基長。采用De Novo方式重頭組裝出非冗余的單基因68132條，總長度約83Mbp。通過和NCBI、SWISS、KEGG、COG、GO和InterPro等數(shù)據(jù)庫內數(shù)據(jù)的相似性比較，這些單基

4、因的功能被進一步注釋。
　　二、通過對栽培稻(O. sativa)全基因組的全面分析，發(fā)現(xiàn)水稻的淀粉合成酶基因家族共包括11個成員(SSI、SSII-1、SSII-2、SSII-3、SSIII-1、SSIII-2、SSIV-1、SSIV-2、SSV、GBSSI和GBSSII)，分別定位在1、2、4-8和10號等8個染色體上，基因結構各異，各包括8-20個外顯子，mRNA編碼長度在1827 bp-4662 bp之間變動。
　　

5、藥用野生稻的葉轉錄組中共有18728個讀條能夠順利匹配到11個栽培稻淀粉合成酶基因上，經(jīng)拼接，我們獲得了8個淀粉合成酶基因(SSI、SSII-1、SSII-2、SSIII-1、SSIII-2、SSIV-2、SSV和GBSSII)的完整編碼序列，這8個基因和它們栽培稻同源基因之間，在氨基酸序列水平的相似性均可以達到93％以上。此外，基于Ka/Ks的統(tǒng)計檢驗證明這8個基因在野生和栽培狀態(tài)均處于嚴格的純化之下。此外，有3個在栽培稻中出現(xiàn)的淀粉

6、合成酶基因(SSII-3、SSIV-1和GBSSI)由于在藥用野生稻葉轉錄組中出現(xiàn)的讀條過少而未能成功拼接成完整基因，初步分析可能和這些基因在葉中表達水平偏低有關。
　　三、根據(jù)已知的栽培稻、擬南芥、玉米和我們得到的藥用野生稻序列，我們構建了最大似然性系統(tǒng)進化樹，結果發(fā)現(xiàn)4個物種的淀粉合成酶基因完全按照基因功能進行聚類，藥用野生稻的8個基因全部置于不同功能分支內，顯示了我們基于轉錄組識別的淀粉合成酶基因的正確性。
　　四、為

7、了驗證藥用野生稻中淀粉合成酶各基因是否存在不同的表達，我們根據(jù)藥用野生稻8個完整基因(SSI、SSII-1、SSII-2、SSIII-1、SSIII-2、SSIV-2、SSV和 GBSSII)以及水稻3個淀粉合成酶基因(SSII-3、SSIV-1和GBSSI)的保守區(qū)設計mRNA引物，并分別在藥用野生稻的葉和種子兩個不同器官內對這11個基因實施了一系列qRT-PCR實時定量操作。結果表明，淀粉合成酶基因家族不同成員的表達差異不但在相同器