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水稻是单子叶植物研究的模式生物,还是全球半数以上人口的主食。两优培九是中国水稻育种学家育成的超级杂交水稻,其产量比推广种植的其它水稻品种高出15%左右。本研究利用基因表达系列分析(SAGE)的方法在转录组水平通过与两个亲本(父本为籼稻93-11,母本为同时具有籼稻、粳稻和爪哇稻遗传背景的PA64S)的比较探讨了杂交水稻(两优培九,LYP9)的基因表达谱特征。分别从93-11穗、93-11叶、93-11根、PA64S穗、PA64S叶、PA64S根、LYP9穗、LYP9叶和LYP9根的mRNA组建的9个SAGE库中共获得465,679个随机标签。其中来自父本170,303个,来自母本161,699个,来自杂交稻133,677个。通过数据自身比较,得到68,483种具有唯一性的标签,占总标签数的14.7%。其中,11,941种标签(占唯一性标签的17.4%)能够与已获得全长的粳稻cDNA比上,从而获得基因注释。
在正常生长的籼稻93-11幼穗发育晚期的穗顶部组织中,参与复杂糖类代谢的基因的表达丰度明显高于叶和根。比较LYP9和两个亲本在这一时期幼穗组织的基因表达谱发现,LYP9和父本93-11的基因表达谱相似,两者之间只有84个转录本的表达水平有显著差异(P<0.01);但是,在LYP9和母本PA64S之间,表达水平呈现出显著差异的转录本则高达12%(907个转录本),其中,3%(253个)的转录本在两优培九中表达上调,8%(654个)表达下调。LYP9在这一时期幼穗组织中的基因表达谱表现为超母本优势。在LYP9中,表达水平相对于母本PA64S上调的基因主要参与复杂糖类代谢、氨基酸代谢和翻译过程。相对于PA64S表达下调的基因则主要参与能量代谢以及辅基和维生素代谢。
在正常生长的籼稻93-11灌浆期剑叶组织中,表达丰度最高的是参与能量代谢的基因。比较LYP9以及两个亲本在这一时期剑叶组织的基因表达谱,结果表明93-11和PA64S之间的表达谱很相似;但是,LYP9同两个亲本之间却各有8%的转录本表达差异显著,差异基因中,在LYP9中表达升高的转录本占80%左右。所以,LYP9在这一时期剑叶组织中的基因表达谱表现为超双亲优势。在LYP9叶中,参与叶绿素合成途径的酶以及参与光合作用的蛋白和酶的基因转录水平都较两个亲本高;同时,多种编码过氧化物酶类的基因转录水平也显著提高。这一结果从转录组水平证明LYP9具有较强的光合产物生产能力和抗光氧化特性,并提供了可能与这些特性相关的基因。在正常生长的籼稻93-11第一次分蘖期根部组织中,参与特殊氨基酸代谢的基因的表达丰度比在穗和叶中高出近一倍。比较LYP9以及两个亲本在这一时期根部组织的基因表达谱,结果显示,LYP9和两个亲本的基因表达谱在整体水平上高度相似,Pearson相关系数高达0.96以上。在LYP9和父本之间有6%的转录本表达差异显著,同母本之间则有10%差异显著。其中,在LYP9中表达上调的转录本占90%以上。LYP9在这一时期根部组织中的基因表达谱表现为超双亲优势。在LYP9根部组织中,相对于两个亲本表达上调的基因主要参与能量代谢和特殊氨基酸代谢。
上述结果提供了正常生长的籼稻幼穗、剑叶和根部组织的基因表达谱,为各组织的功能研究提高了独特的信息。比较了杂交水稻LYP9和两个亲本的基因表达谱,获得了大量在LYP9中表达水平改变的基因,为其高产形成机制的研究提供了宝贵的转录组水平的丰富信息。