油茶种子油脂合成调控的转录组与表达谱研究

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油茶是我国南方重要的木本油料树种,与油棕、油橄榄和椰子并称为世界四大木本食用油料树种。茶油主要由油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸组成,其含量一般在90%以上,因此,茶油是当前国内最受欢迎的高营养价值的食用油之一。为了在分子水平上揭示和掌握油茶油脂合成调控及其他生理代谢的机理,进一步掌握在油茶种子油脂合成过程中,相关的基因对油脂合成的作用方式和调控机理,本研究以油茶优良品种“华硕”为研究对象,分别于2009年6月份和10月份采摘油茶油脂合成过程中的种子,采用Illumina高通量测序技术构建了油茶种子油脂合成调控过程中的转录组数据库,以及两个不同时期的表达谱数据库,并在此基础上克隆了几个调控油脂合成的关键基因,其主要研究结果如下:   1.所构建的转录组数据库获得了13,333,334条reads数据,包含1,200,000,060nt数据信息,对reads进行拼接,获得了485,242条Contig,长度从75~3256nt不等,其中75~100nt的有304,184条,100~200nt的有69,292条,200~300nt的有24,290条,300~400nt的有9,902条等,≥500nt的有8,388条,这些数据以750~300nt的Contig为主,且总长度为54,972,382nt;   2.对contig进行拼接后,获得了102,456条Scaffold,长度从100~3,256nt不等,其中100~500nt的有91,315条,500~1,000nt的有8,824条,1000~1500nt的有1,749条,1,500~2,000bp的有421条等,≥2,000nt的有147条,这些数据以100~500nt的Scaffold为主,总长度为28,136,840nt;   3.同理,对Scaffold进一步拼接后,获得了65,536条Unigene,长度从100~3256nt不等,其中100~500nt的有58,651条,500~1000nt的有8,833条,1000~1500nt的有1,746条,1500~2000nt的有422条等,≥2000nt的有146条,这些数据以100~500nt的Unigene为主,总长度为24,154,817nt;   4.Unigene和COG数据库进行比对,预测Unigene可能的功能并对其功能进行分类统计。根据分析发现,共有10,845条Unigene可以与数据库中的基因具有相似性,且较多Unigene能够与多种基因相对应。油茶种子油脂合成调控时期的转录组中的Unigene根据功能大致可分为26类,与油脂转运和代谢类相关的基因有429条;   5.油茶种子油脂合成调控时期的转录组中的Unigene根据GO功能大致可分为生物过程、细胞组分和分子功能3大类42分支,其中在生物工程这一大类中,代谢过程涉及的基因最多,有3,451条;细胞组分这一大类中,组成细胞和细胞部分涉及的基因最多,有5,253条,其次是组成细胞器的基因也较多,达到了3,865条;在分子功能这一大类中,具有结合功能涉及的基因最多,有4,074条,其次是具有催化活性功能的基因也较多,达到了3,554条;   6.以KEGG数据库为参考,对油茶种子油脂合成调控过程的转录组中的Unigene进行了详细的注释,依据代谢通路可以将转录组中的数据分成124类,包括脂类代谢,DNA剪切,植物激素生物合成,苯丙氨酸生物合成,萜类化合物与类固醇类化合物合成等。其中,有4大类代谢与油脂相关,分别是脂肪酸代谢途径,涉及的基因有171条,占整体的0.91‰脂肪酸生物合成途径,涉及的基因有100条,占整体的0.53%;不饱和脂肪酸的生物合成,涉及的基因有94条,占整体的0.5%;亚麻酸生化代谢,涉及的基因有66条,占整体的0.35%;   7.以油脂合成调控不同时期的油茶种子为材料,采用高通量的Solexa测序技术,构建了油脂合成调控初期和高峰期2个数字化表达谱数据库;油脂合成调控初期的表达谱共有3,507,000个Tag,经过整理后获得了284,321个Distinct Tag,去杂后,获得了117,123条Clean Tag;在高峰期的数据库中共有3,559,500个Tag,经过整理后获得了254,449个Distinct Tag,去杂后,获得了106,069条Clean Tag;   8.对两个表达谱数据库进行比较发现,共有21,082个基因的表达存在差异,通过对这些进行GO Component,GO Function,GO Function,GO Process以及Blast Nr注释后发现,有1,156条基因能够得到GO Component的注释,有1,171条基因能够得到GO Function的注释,有1,024条基因能够得到GO Process的注释,有14,230条基因能够得到Blast Nr的注释,完全不能被任何注释的基因有6,910条;   9.在两个表达谱数据库中,种类相同、且表达上存在差异的基因共有2,716条。将高峰期的表达谱数据库与初期的数据库进行比较,相对于第一个表达谱数据库来看,有1,202条基因在表达量上有所下调,1,514条基因的表达量有所上升;对这些差异基因按照代谢途径归类,共得到了105种代谢途径的信息。其中与油脂合成调控联系紧密的代谢途径共有5个:不饱和脂肪的生物合成,亚油酸的新陈代谢,α-亚麻酸的新陈代谢,脂肪酸的生物合成,脂肪酸的新陈代谢等;   10.在不饱和脂肪酸的生物合成的代谢途径中,油脂合成调控初期的表达谱数据库中有11条相关的基因,高峰期的数据库中有94条基因;亚油酸的新陈代谢途径中,初期的表达谱数据库中有8条相关的基因,高峰期的数据库中有66条基因;α-亚麻酸的新陈代谢途径中,初期的表达谱数据库中有10条相关的基因,高峰期的数据库中有112条基因;脂肪酸的生物合成途径中,初期的表达谱数据库中有9条相关的基因,高峰期的数据库中有100条基因;肪酸的新陈代谢途径中,初期的表达谱数据库中有12条相关的基因,高峰期的数据库中有171条基因;并且,本研究还将部分基因在这5个代谢途径中进行了调控位点的定位,初步确定了它们的功能;   11.为了研究相关调控基因在油茶油脂合成调控过程中的作用,本研究选取亚麻酸代谢途径中的醛酮还原酶基因(Aldo-keto Reduetase,Co-AKR)为研究对象,采用5 RACE和3 RACE技术,对其进行了全长cDNA的克隆和生物信息学分析。结果表明,此基因的全长cDNA长1194bp,包括5非编码区31bp和3非编码区212bp,以及一个长948bp的编码区。同葡萄的AKR的同源性达到了83%,在二级结构上有多个α螺旋和β折叠,形成了AKR蛋白典型的(β/α)8的结构特征,构成了AKR的催化结构域;此外,油茶的AKR蛋白的等电点大概为pI=6.555,是一种中性蛋白,是一种非跨膜蛋白,含有多个信号肽剪切位点,为其分泌到胞外起到调控作用提供了很好的保障;最后,在采用了同源建模的方法,对油茶的AKR蛋白的三维结构进行了解析,也得到了典型的(β/α)8的催化结构域;   12.同时,根据获得的转录组数据,以及两个不同时期的表达谱数据库中有差异表达基因的代谢途径,本研究选取了脂肪酸生物合成途径中的β-酮酰基酰基载体蛋白还原酶(Beta-keto Acyl-ACP Synthetase,Co-KAS)基因作为研究对象,采用5 RACE和3 RACE技术,对其进行了全长cDNA的克隆和生物信息学分析。结果表明,此基因的全长cDNA长16744bp,包括5非编码区35bp和3非编码区160bp,以及一个长1476bp的编码区。同杨树、辣椒及葡萄等植物的KAS的同源性达到了99%,在二级结构上有多个α螺旋和β折叠,形成了KAS蛋白典型的α-β-α-β-α的结构特征,构成了KAS的催化结构域;此外,油茶的KAS蛋白的等电点大概为pI=8.115,是一种碱性蛋白;油茶的KAS中存在多次跨膜结构域,是一种膜蛋白;含有多个信号肽剪切位点,为其分泌到胞外起到调控作用提供了很好的保障;最后,在采用了同源建模的方法,对油茶的KAS蛋白的三维结构进行了解析,也得到了典型的α-β-α-β-α的催化结构域;   13.最后,本研究还选取了脂肪酸生物合成途径中的催化辅酶结合蛋白(Catalytie Coenzyme Binding Protein,Co-CCBP)基因作为研究对象,采用5 RACE和3 RACE技术,对其进行了全长cDNA的克隆和生物信息学分析。结果表明,此基因的全长cDNA长1208bp,包括5非编码区37bp和3非编码区304bp,以及一个长864bp的编码区;同杨树和拟南芥的CCBP的同源性达到了71%,葡萄的同源性达到了70%,在二级结构上有多个α螺旋和β折叠,形成了CCBP蛋白典型的β9α4的结构特征,构成了CCBP的催化结构域;此外,油茶的CCBP蛋白的等电点大概为pI=10.185,是一种强碱性蛋白;T124-G131为油茶CCBP的跨膜结构域,因此推测其为一种膜结合蛋白;此外,此蛋白含有多个信号肽剪切位点,S71和Q239这两个位置可能性最大;最后,在采用了同样的方法,对油茶的CCBP蛋白的三维结构进行了解析,也得到了典型的β9α4的催化结构域;
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