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【6h】

光信号对C4植物玉米与C3植物杨树调控作用的组学研究

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目录

摘要

1 绪论

1.1 研究背景与目的意义

1.1.1 玉米

1.1.2 杨树

1.2 C3植物与C4植物

1.2.1 光合作用及C3植物

1.2.2 C4植物

1.2.3 C3植物与C4植物的差异

1.3 植物中的光调控

1.3.1 植物光受体及光形态建成

1.3.2 玉米与杨树光调控的研究进展

1.4 转录组学研究进展

1.4.1 测序技术

1.4.2 转录组在植物科学研究中的应用

1.4.3 转录组与转录后调控

1.5 蛋白质组学研究进展

1.5.1 蛋白质组学技术

1.5.2 蛋白质组学在植物科学研究中的应用

2 不同光质下玉米黄化苗转绿过程的组学分析

2.1 实验材料及实验方法

2.1.1 实验材料

2.1 :2实验仪器

2.1.3 主要试剂

2.1.4 主要溶液配制

2.1.5 叶绿素含量测定

2.1.6 透射电镜检测样品制备

2.1.7 叶片伸长速率测定

2.1.8 生长素提取

2.1.9 原叶绿素酸酯含量检测

2.1.10 总RNA提取

2.1.11 实时荧光定量PCR

2.1.12 苯酚抽提法提取总蛋白

2.1.13 蛋白浓度测定

2.1.14 iTRAQ样品制备

2.1.15 iTRAQ标记肽段的液相分离

2.1.16 Nano LC-MS/MS分析

2.1.17 转录组样品检测

2.2.1 不同光质处理下玉米黄化苗叶片的生理、生化变化

2.2.2 不同光质处理下玉米幼苗叶片的转录组分析

2.2.3 经6h不同光质处理的玉米黄化幼苗蛋白质组分析

2.3 讨论

2.3.1 不同光质对玉米黄化苗叶片表型调控的差异性

2.3.2 不同光质对玉米幼苗中基因转录、翻译的调控具有差异性

2.3.3 转录组及蛋白质组数据完善玉米基因组注释

2.4 结论

3 不同光质下杨树转录组分析

3.1 实验材料及实验方法

3.1.1 实验材料

3.1.2 实验仪器

3.1.3 总RNA提取

3.1.4 实时荧光定量PCR

3.1.5 转录组样品检测转录组样品检测

3.2.1 转录组原始数据分析

3.2.2 转录组中基因的差异表达分析

3.2.3 GO富集及Mapman注释分析

3.2.4 核酸代谢及转录调控相关基因

3.2.5 氨基酸及蛋白质代谢相关基因

3.2.6 细胞发育及细胞壁代谢相关基因

3.2.7 胁迫相关基因

3.2.8 基础代谢相关基因

3.2.9 激素代谢及调控相关基因

3.2.10 光合作用相关基因

3.3 讨论

3.4 结论

4 不同物种间PEPCK酶活差异及点突变对其酶活的影响

4.1 实验材料及实验方法

4.1.1 实验材料

4.1.2 实验仪器

4.1.3 主要试剂

4.1.4 总RNA提取

4.1.5 蛋白浓度测定

4.1.6 PEPCK克隆和定点突变

4.1.7 蛋白表达和体外酶测定

4.2 实验结果

4.2.1 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶

4.2.2 PEPCK蛋白进化分析

4.2.3 C3、C4植物中PEPCK序列差异比较分析

4.2.4 PEPCK在C4和C3植物中的酶活性

4.2.5 PEPCK活性与磷酸化位点和磷酸化水平的关系

4.3 讨论

4.4 结论

5 结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

声明

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摘要

光信号是调控植物生长发育最重要的环境因子之一。光对植物生长发育的调控十分复杂,目前光调控机制的研究主要集中在模式植物拟南芥中。玉米和杨树作为具有重要环境价值以及经济价值的模式植物,关于其光调控机制的研究并不深入。本研究旨在通过高通量组学技术分析不同光照条件下玉米与杨树转录组与蛋白质组的变化,从而阐述相关代谢途径及基因的表达模式变化,为遗传育种工作以及实际生产应用提供理论基础与技术支持。
  本研究主要包括两方面内容:(1)玉米黄化苗在不同光质下由黄转绿过程的转录组与蛋白质组分析(2)杨树幼苗在不同光照时间处理下的转录组分析。
  本研究以玉米黄化幼苗为实验材料,分别对其施以白光、蓝光、红光以及红蓝混合光这4种光质处理6小时、12小时及24小时,运用二代高通量测序以及iTRAQ标记定量技术对实验样品的转录组及蛋白质组进行分析,结合了多项生理指标数据,阐述了不同光质对玉米幼苗光形态建成的调控作用。
  玉米转录组测序共得到26,972个基因,13个样品共有差异表达基因10,436个。富集分析显示,在处理6h后,与光合及能量代谢相关的途径显著上调表达,与细胞壁、激素代谢、激酶信号相关途径显著下调表达。转录因子差异表达分析显示,生长素、乙烯等相关的转录因子均呈下降趋势。玉米转录组结果中得到了476,217个可变剪切事件,包括常见的8种可变剪切类型。其中基因组中已注释的可变剪切事件50,467个,新发现的可变剪切事件428,750个。另外数据中共有41,188个新转录本,还有876个由基因间区转录的多外显子转录本。以上数据极大的丰富了玉米基因组数据库。在蓝光、红光、白光和红蓝光处理下,分别鉴定到了8792、4817、3391和2842个有外显子差异利用的基因。外显子差异利用的分析结果表明,红光及蓝光对外显子差异利用的调控差异很大,很多光合作用相关基因出现了外显子差异利用的情况。
  对不同光质处理6h的玉米样品进行iTRAQ标记蛋白组检测,结果显示共有10,867个基因组中已注释蛋白,747个基因组上未注释的新蛋白。横向比较分析表明,蓝光在促进叶绿体中与光合作用相关的蛋白表达方面明显优于红光,在促进细胞生长、发育上红光的作用要明显优于蓝光。蛋白结构域预测结果显示526个新蛋白与其对应异构体存在功能结构域的差异。
  玉米黄化苗见光后,叶片中生长素含量迅速下降,这也与转录组数据吻合。叶绿素酸酯转化试验显示不同光质对叶绿素酸酯氧化还原酶的活性调控有差异性。叶绿体的发育受光质调控,白光下叶绿体发育最快,蓝光处理下叶绿体发育情况优于与红光。总而言之,红蓝两种单色光在对玉米幼苗光形态建成的调控上具有差异性,作为光信号参与调控光合作用、细胞周期、碳代谢、RNA的剪切编辑、生长素的合成和叶绿素的合成等途径,并通过影响基因的可变剪切以增加蛋白质表达的多样性,进而对玉米黄化苗的光形态建成起到促进及调控的作用。
  对暗处生长一段时间的84K-杨幼苗分别进行白光,红光,蓝光和红蓝混合光照射处理,处理时间为6小时,取四个处理的叶片进行转录组测序分析。结果显示有2483个为共有表达基因,其中576个基因发生了上调表达,1867个基因下调表达。
  GO富集结果显示碳水化合物代谢、次生代谢及胁迫、刺激响应相关基因富集最为显著。Mapman注释结果显示,共有表达基因可以分为33大类,主要集中于RNA、次生代谢、蛋白、胁迫、细胞壁、信号等代谢及调控途径中。包括bHLH、AP2/B3、WRKY等在内的转录因子基因发生了差异表达,蛋白质、氨基酸、碳水化合物、核酸等基础物质代谢相关基因多数倾向于上调表达。除了乙烯之外的植物激素变化较少。在光处理的过程中,乙烯代谢及信号转导途径受影响最为明显。
  结果表明,在光照处理的过程中,促进基础代谢途径的表达和基础物质的合成,抑制细胞的生长,伸长。利用多种手段来抵御光照产生的活性氧及其他胁迫形式,最终完成植株由暗生长向光照生长的适应过程。
  本研究通过组学分析及生理、生化试验分别探讨了玉米和杨树在光暗转换的转变过程,阐述了这一过程中可能的调控机理,丰富了玉米及杨树基因组的注释,为C3、C4植物光调控研究提供了理论基础。

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