基本信息
- 项目名称：
- 黄瓜性别决定相关基因表达谱分析及重要基因克隆
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究以黄瓜全雌突变体Csg-G及其野生型Csg-M为材料利用新一代solexa测序技术其转录组进行了研究。系统分析性器官原基发育过程中相关基因表达的时空特异性，选择上调和下调差异表达的基因，建立黄瓜性别决定基因表达谱和调控网络，并分析其功能特征，
- 详细介绍：
- 为了充分展示黄瓜性别决定过程中基因的表达情况，了解其中的分子生物学过程以及鉴定在这一阶段表现出的性别决定相关基因，本研究以黄瓜全雌突变体Csg-G及其野生型Csg-M为材料，利用新一代测序技术Solexa对其转录组进行了研究。利用Solexa高通量测序技术进行表达谱研究的优势很明显，主要体现在以下几个方面：（1）数字化信号：直接测定每个基因的特异性表达标签序列，通过计数表达标签序列的数目来确定该基因的表达量，大大提高了定量分析的准确度；（2）高灵敏度：对于表达差异不大的基因能够灵敏的检测其表达差异，能够检测出低丰度的表达基因；（3）全基因组分析，高性价比：由于该技术不用事先设计探针，而是直接测序的方式，因此无需了解物种基因信息，可以直接对任何物种进行包括未知基因在内的全基因组表达谱分析，因此性价比很高通过Solexa测序，我们分别在Csg-G及Csg-M上获得了14734120和14562864个TAG序列，并把其中40%和41.83%的TAG序列注释到了参考基因。后续实验室试验验证表明，RT-PCR结果与Solexa的一致性为88.9%，QRT-PCR与Solexa的相关系数为0.91。通过比较分析Csg-G及其野生型Csg-M转录组基因表达水平的变化，共鉴定出143个上调基因和600个下调基因。通过GO和KEEG分析，对黄瓜性别决定表达谱有了全面的认识，差异表达基因主要参与植物激素信号传导途径，转运，大分子生物合成，细胞生物合成，细胞定位，转录与翻译等生物学过程。这些差异表达基因表现出植物组织和发育时期表达的特异性，各种模式的差异表达基因有很大程度上的功能相关性。一些植物激素信号传导途径相关基因表达模式表明植物激素以及它们之间的相互作用可能在黄瓜性别决定过程中发挥重要作用。此外，一些转录因子（的表达调控也可能与黄瓜性别决定密切相关。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 为充分展示黄瓜性别决定过程中基因表达情况，了解其中的分子生物学过程及鉴定在这一阶段表现出的性别决定相关基因，本项目拟以黄瓜全雌突变体Csg-G及其野生型Csg-M为试材，在分析黄瓜性别决定基因在转录水平表达差异基础上，建立其表达谱和调控网络，明确其表达的时空特异性及动态过程，进而获得一批黄瓜性别决定相关基因，了解其功能特征，为研究葫芦科及其它开花植物的性别决定相关基因系统性调控和性型转换奠定基础
科学性、先进性及独特之处
- 在黄瓜基因组序列信息未知情况下，本课题采用以边合成（或连接）边测序为特征的新一代测序技术（Solexa）对黄瓜重要育种材料进行全基因组扫描，筛选黄瓜性别决定相关重要功能基因并鉴定其与黄瓜性别决定之间的关系，有望缩短基础研究成果应用于实际育种生产的时间，为真正进入分子设计育种时代奠定基础。
应用价值和现实意义
- 对黄瓜性别决定相关基因的表达谱及其功能进行深入研究不仅具有重要的理论意义，同时也具有较大的生产应用前景。具体有以下两点：（1）该研究成果能够为其它植物性别决定基因的表达控机理及其应用提供重要基础资料，同时能够为进一步提高重要功能基因在农作物中的应用提供参考；（2）该研究成果将使得人们通过基因工程手段调控植株的性型成为可能，从而推动葫芦科作物雌性系育种的广泛应用。
学术论文摘要
- 为充分展示黄瓜性别决定过程中基因的表达情况，了解其中的分子生物学过程，鉴定在这一阶段表现出的性别决定相关基因，本研究以黄瓜全雌突变体Csg-G及野生型Csg-M为材料，利用Solexa测序技术对转录组进行了研究。通过Solexa测序，把大约5700000-5800000个TAG注释到参考基因。实验室试验验证表明，RT-PCR与Solexa的一致性为88.9%，QRT-PCR与Solexa的相关系数为0.91。通过分析Csg-G及Csg-M转录组基因表达水平的变化，鉴定出143个上调基因和600个下调基因。通过GO和KEEG分析，差异表达基因主要参与植物激素信号传导途径，转运，转录与翻译等过程。对差异基因的表达模式和功能进行分析表明，差异表达基因表现出植物组织和发育时期表达的特异性，各种模式的差异表达基因有很大程度上的功能相关性。一些植物激素信号传导途径相关基因（例如ACS， CS-AUX1和TLP等）表达模式表明植物激素以及它们之间的相互作用可能在黄瓜性别决定过程中发挥重要作用。此外，一些转录因子（如EREBP-9，rf2等）的表达调控可能与黄瓜性别决定密切相关。
获奖情况
- 2010年7月在《Journal of Plant Physiology》(SCI)发表文章1篇： Tao Wu, Zhiwei Qin, Xiuyan Zhou, Zhuo Feng, Yalin Du. Transcriptome profile analysis of floral sex determination in cucumber. Journal of Plant Physiology, 2010, 167:905-913. (SCI)
鉴定结果
- 一些植物激素信号传导途径相关基因表达模式表明植物激素以及它们之间的相互作用可能在黄瓜性别决定过程中发挥重要作用。此外，一些转录因子的表达调控也可能与黄瓜性别决定密切相关。
参考文献
- solexa测序技术 RT-PCP技术 qRT-PCR技术
同类课题研究水平概述
- 最近研究者从形态学和分子生物学角度，对乙烯在黄瓜性别决定中的调控作用研究有了新的突破。Hao等2003年首次发现黄瓜性型分化过程中存在器官特异性的DNA损伤现象，接着Bai等发现黄瓜雌花中雄蕊的败育发生在花药和花丝分化的时期，并伴随着CUM1基因表达的下调。并且Bai等还发现，基因CS-ACS2的表达量在雌蕊原基形成时期较高，并且可能导致雄蕊的败育。最近， Wang等进一步发现，在黄瓜花发育的第六阶段，由于乙烯信号途径中的受体基因CsETR1的表达下调使花药原基特异性DNA损伤，导致了花药原基细胞的死亡。他们利用AP3启动子构建了一个转基因拟南芥植株，通过反义表达CS-ETR1因子，证明了乙烯感知能力导致花器官部分凋亡对黄瓜雌性化作用的正确性。但是Yamasaki等却发现是由Cs1-MMP介导单性花器官原基程序性凋亡，目前，研究还没有定论。但是，从花器官凋亡的研究角度，直观地解释了乙烯气体是怎样有选择的促进黄瓜雌雄异花同株中雌花的发育这一近半个世纪以来的难题。因此，综合各个角度的成果，暗示在黄瓜性型分化过程中可能存在一种“激素和基因协控的花器官凋亡”的新假说，这种假说更能结合内源激素、性别决定基因的调节机制，从新的角度来解释黄瓜的花型和株型的变化过程。
