Osa-miR1436靶标基因的生物信息学分析_胡嘉敏.pdf

书书书贵州农业科学 ，（）：收稿日期：基金项目：江西省双千计划基金项目（）；江西省教育厅科技基金项目（）作者简介：胡嘉敏（），女，在读本科，专业：农学。：通讯作者：付海辉（），男，副教授，博士，从事水稻、拟南芥、硅藻、线虫等模式生物生长发育和抗逆的基因转录后调控规律与分子机制研究。：靶标基因的生物信息学分析胡嘉敏，蒋鑫磊，刘少春，付海辉（江西农业大学 作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西 南昌 ）摘要：【目的】水稻稻瘟病感染过程、与 的叶片 进行高通量测序发现 差异表达，探明 在水稻稻瘟病中的潜在功能，为 在水稻稻瘟病发生中的功能与机理研究奠定分子基础。【方法】利用生物信息学软件 对前期研究发现的个 表达水平发生显著变化的 靶向基因进行预测，并对这些靶标基因进行、富集。【结果】通过预测发现 个靶标基因，这些基因主要富集在细胞大分子复合体组装（）、复制（）、细胞应激反应（）等与水稻抗逆相关生物学过程。靶标基因均显著富集了种 ，且 数量呈 。【结论】可能通过靶向抗逆相关基因调控水稻稻瘟病的发生。关键词：；水稻；靶标基因；生物信息学；抗逆；稻瘟病中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：【】，【】，【】，【】：；引言【研究意义】稻瘟病是一种由真菌引起的世界性病害，能够在水稻发育过程不同时期不同部位发生，如苗期的叶、抽穗后的节、穗颈、枝梗以及谷粒等，严重威胁水稻产量。水稻感染稻瘟病后，表型上初期叶表现为褐点、白点，后期褐色面积变大、延伸，严重影响水稻谷粒的生长，表现为空瘪粒，导致减产。因此，开展稻瘟病的研究对保证我国粮食安全具有重要战略意义，而且能够解决由于过度使用农药带来的环境污染等一系列生态问题。【前人研究进展】由于稻瘟病对水稻的危害性巨大，因此水稻稻瘟病发生的分子机制一直是国内外研究的热点。研究发现，植物在抵抗外源病原菌感染过程中有一些重要的调控因子、基因以及抗性机制。如植物在抵抗外源病原菌侵染过程中 进 化 出 了 （）和 （）种先天免疫系统机制。其中，是重要的免疫响应机制，主要是由于抗性基因（基因）编码的抗性蛋白特意性识别病原微生物而引起免疫响应。如 等转录因子调控的相关基因表达与 水平应对病原体的抗性反应。过表达能够显著增加水杨酸的表达水平，增强水稻对稻瘟病的抗性。另一个重要的免疫响 应 机 制 是 （），主要是由于植物细胞表面受体特异性地识别病原相关分子触发的非特异性免疫 ，表面受体分子包括真菌的几丁质和细胞壁多糖以及细菌的肽聚糖、脂多糖等。如真菌细胞壁的重要组成部分几丁质（，）能够诱导 免疫反应。过表达植株表现为活性氧水平升高，并显著地增强对稻瘟病的抗性，沉默株系表现为对稻瘟病的敏感性，且该基因的表达受稻瘟病诱导；该基因主要是通过与 结合，竞争病原识别受体 ，从而激发免疫反应。近年发现一些植物小在水稻发育、稻瘟病发生过程中扮演重要的角色，可作用于基因或重要的转录因子，导致靶标的降解或沉默，进而影响水稻稻 瘟 病 的 抗 性。如 在 水 稻 中 过 表 达 小能 引 起 水 稻 对 由 病 菌 引起的稻瘟病的敏感性。同样，可以抑制靶标基因 的表达，调控对水稻稻瘟病的抗性，也是负调控因子，该小分子的过表达与 突变均导致水稻对稻瘟病的敏感性。研究发现，靶标序列阻断 ，可以显著地增加 、以及 的表达，增加对稻瘟病的敏感性 。表明，在水稻稻瘟病发生中具有重要的作用。高通量测序技术是一种重要的研究手段，由于其快速、灵敏以及近些年测序成本的降低，因而被广泛应用于不同的研究领域。【研究切入点】通过对水稻稻瘟病感染过程、与 的叶片 进 行 高 通 量 测 序 发 现 差异表达，但尚未发现进一步研究的报道。【拟解决的关键问题】通过 在线工具对 的靶标基因进 行 预 测，并 对 靶 标 基 因 进 行 与 功能分析，为进一步研究该小分子在水稻稻瘟病中潜在的功能与机理奠定分子基础。材料与方法 材料供 试 材 料 为 水 稻（）稻瘟病发生过程、与 的小。方法 靶标基因预测利用在线工具 对 的作用靶标进行预测，使用默认参数。靶标基 因 功 能 富 集（）分析靶标基因 富集分析使用在线工具 中 子 程 序，其 中 阈 值（：）。靶标基因 通路富集分析使用在线 通路富集分析工具 进行，利用默认参数。靶标基因 分析靶标 基 因 分 析 使 用 在 线 分 析 工 具，利用默认参数。靶标基因在染色体上可视化靶标基因在染色体上的位置通过客户端 进行，利用默认参数。靶标基因表达模式分析 靶标基因表达模式数据来源于水稻 高通量测序数据。另外，富集结果可视化、结果可视化与 靶 标 基 因 表 达 模 式 可 视 化 通 过 实现。结果与分析 靶标预测及其染色体分布预测 的作用靶标发现，该基因的靶标达 个。其中，个靶标基因有功能注释（表），个靶标基因是假定蛋期胡嘉敏 等 靶标基因的生物信息学分析白或假定基因。在 个有功能注释的基因中，（）、（）、（）、（，）等基 因 与 稻瘟病抗性有关。这些基因在 条染色体上均有分布（图），在号、号、号、号与 号染色体上分布较多，在号染色体上分布最少，仅个基因 。表靶标基因的注释 基因名称 基因描述 螺旋转角螺旋，型，亚结构域蛋白结构域 谷胱甘肽转移酶，类 端蛋白结构域 内质网驻留型膜蛋白 含有 氨基酰基 脱酰化酶结构域的蛋白结构域 葡萄糖醛酸糖基 葡萄糖基转移酶家族蛋白 含硫氧还蛋白折叠蛋白结构域 类 结合蛋白 类 和 蛋白结构域 类转移酶家族蛋白 类受体蛋白激酶 类植物突触结合蛋白 类磷脂酸磷酸酶相关 相关 类 （片段）类 蛋白结构域，表达 类 逆向转运蛋白，可能是 类巨噬细胞迁移抑制因子 类 同源蛋白，线粒体 类辅酶硫酸酯水解酶 类似于 与 克隆 相似，全插入序列 与稻瘟病和胁迫诱导的有丝分裂原激活蛋白质相关 类似于葡聚糖结合蛋白 类似于酸性内几丁质酶前体（）类核糖体 加工蛋白蛋白结构域 含有蛋白激酶类蛋白结构域 含有 （五肽重复）蛋白结构域 含有 （五肽重复）蛋白结构域 含有 （五肽重复）蛋白结构域 核苷酸结合，包含编码区的蛋白结构域 家族蛋白 富含亮氨酸重复序列，植物特有蛋白 ，岩藻糖基转移酶注：黑柱边上的黄色阿拉伯数字代表染色体编号。：图靶标基因在染色体上的分布 贵 州 农 业 科 学 靶标基因 富集对 个靶标基因进行通路富集分析（图）表明，这些基因主要富集在细胞大分子复合体组装（）、线 粒 体 组 织（）、大分子复合体组装（）、细胞蛋白复合体组装（）、细胞组 件 组 装（）、复制（）与细胞应激反应（）等 生 物 学过程。图靶标基因 富集 靶标基因 富集对 个靶标基因 富集的通路进行分析（图）发现，靶标基因主要富集在蛋白质的加工（）与内质网中丙酸代谢（）等通路上。图靶标基因 富集 靶标基因 分析对靶标基因 序列进行 预测分析发现，靶标基因主要由 、等种基序组成（图，表）。由图可见，除 、不含任何基序外，其余至少含有种基序。其中，靶标基因基序数量为 。注：横向数字代表碱基位置，纵向坐标代表每个碱基的使用频率大小。：图 、和 主要基序的 ，表 、和 主要基序的序列 ，类别 序列 期胡嘉敏 等 靶标基因的生物信息学分析图靶标基因 预测 靶标基因表达模式经分析表达谱（图）发现，靶标基因在稻瘟病感染后发生显著的动态变化。在稻瘟病感染后 下调，发生 上调。在稻瘟感染后 靶标基因有 图靶标基因表达模式 个发生下调，个发生上调，而 靶标基因有 个发生下调，个发生上调。与稻瘟病有关的个靶标基因发生变化，其中，在稻瘟病感染后 与 均发生下调；（，）均发生上调。另外，个靶 标基因转录因子 （）、（）表达低且变化不显著。讨论 是一种广泛存在的小，通过非编码的形式存在，广泛调控靶标基因的表达，参与植物抗性与病理过程。本研究对前期水稻稻瘟病高通量 测序获得的差异表达 的靶标基因进行预测，发现 个靶标基因，这些靶标基因在整个染色体中广泛分布，且富集在抗性相关的生物学过程，暗示该 在水稻稻瘟病发生过程中的潜在功能；序列显著富集个 活贵 州 农 业 科 学性位点；靶标基因表达水平在水稻稻瘟病感染过程中呈动态变化规律。该研究结果对稻瘟病的发生分子规律提供了新解释。家族转录因子是 免疫途径中下游的重要转录因子，对水稻稻瘟病的发生起着重要作用。如 是个水稻稻瘟病正调控基因，表达受水杨酸诱导，在水稻抗细菌病中起反作用。在拟南芥中对该基因进行过表达可以显著增强植株应对生物胁迫与非生物胁迫的能力。然而，靶标基因中有个 家族转录因子 ，然而该因子表达水平极低且稻瘟病感染过程中表达水平变化不明显。因 此，暗 示 通 过 调 控 家族因子调控水稻稻瘟病发生的可能性极低。靶标基因中表达模式发生动态变化且与稻瘟病发生明显相关的是 ，该基因是 激酶类，主要功能是传递外来的信号，对底物进行磷酸化，将信号发生级联反应 。激酶途径又是 免疫途径中的另外一部分。稻温病及胁迫诱导的 激酶可以激活 ，活化的 又可以与致病相关的基因结合，从而增强防御相关的基因，最终增加植物抗性。而 基因在水稻感染稻瘟病 与 后均发生显著变化，暗示该基因 在 水 稻 稻 瘟 病 的 发 生 过 程 中 有 重 要作用。研究还发现，所有的靶标基因均显著富集了种 ，并且 数量第种第种第种。第种 显著富集 碱基，而第和第种 显著富集碱基。这种规律暗示的生物学意义值得进一步深入研究，这可能从另一角度解释水稻稻瘟病的发生机理。结论预测发现 有 个靶标基因，这些基因主要富集在细胞大分子复合体组 装（）、复制（）、细胞应激反应（）等与水稻抗逆相关的生物学过程。靶标基因均显著富集了种 ，且 数量呈 。可能通过靶向抗逆相关基因调控水稻稻瘟病的发生。参考文献 ：何祖华，董海涛水稻受稻瘟病菌诱导基因的分离和克隆科学通报，（）：，（）：张俊奇水稻稻瘟病及其综合防治措施安徽农学通报，（）：，（）：李学军水稻稻瘟病发生规律及防治措施科技致富向导，（）：，（）：陈其国，韦淑亚，章萍水稻与稻瘟病菌互作的分子机制研究进展中国稻米，（）：，（）：，何锋，王长春，王锋青，等植物抗病基因（）与病原物无毒基因（）相互作用机制的研究进展中国细胞生物学学报，（）：，（）（），（）：郑先武，翟文学，朱立煌以 基因为基础定位水稻稻瘟病抗性基因 云南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：期胡嘉敏 等 靶标基因的生物信息学分析 林雄杰，周洁，王宗华，等稻瘟病菌几丁质结合蛋白的生物信息学分析中国农学通报，（）：，（）：许明辉，李成云，李进斌，等转几丁质酶葡聚糖酶基因水稻稻瘟病抗谱分析中国水稻科学，（）：，（）：，（）：薛巨坤，王博，王莲萍，等植物发育相关 基因家族进化及靶标基因预测分析西南农业学报，（）：，（）：李金璐，赵胜利，肖之源，等 调控水稻稻瘟病抗性和农艺性状 中国植物病理学会 年学术年会论文集，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：（责任编辑：刘忠丽）贵 州 农 业 科 学