植物转录组研究最新进展

1. 植物转录组研究最新进展 The Latest Development of Transcriptome of Plants 报告人：柳洁 学号：2011207524

2. 转录组和转录组学 • 转录组（transcriptome）：是一个细胞、组织或有机体在特定条件下表达的一组完整的基因 • 转录组学（transcriptomics）：是一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科。简而言之，转录组学是从RNA水平研究基因表达的情况。转录组即一个活细胞所能转录出来的所有RNA的总和，是研究细胞表型和功能的一个重要手段。

3. 简介 • 继人类基因组计划提出之后，关于基因的各个方面的工作陆续展开。随着基因组测序工作的完成，不少人提出基因组学，即从基因组整体的角度对生物的形状进行遗传学上的研究。但是考虑到最终承担生物形状的是蛋白质，所以又提出蛋白质组学。 • 作为生物大分子，DNA和蛋白质，一个是遗传基因的载体，一个是承担生物最终形状的载体，得到了大家广泛的关注，也进行了大量的研究，得到了巨大的进展。但是作为中心法则处于中间位置的RNA一直被大家所忽略。这大概是因为它除了在一些RNA病毒中存储遗传信息之外，只有少数几种RNA酶相对能引起人们的兴趣。

4. 简介 • 但是，RNA在绝大多数生物中，都是充当从DNA到蛋白质的信息传递工具，在这个过程中，从DNA转录成原始RNA，再通过酶切折叠等，最后通过密码子确定蛋白质的一级结构。在这个复杂的过程中，在RNA中也蕴藏着控制生物性态的秘密，不少敏锐的学者都注意到了这点，因此将目光着眼于此，提出了新的概念——转录组，并对此进行了各种各样的研究，研究对象下至大肠杆菌，上至灵长类动物组织细胞。植物作为生物链上的生产者，是许多动物的食物来源，维持着生态平衡，同时植物的遗传模式和动物相似，且具有易控制条件、相对高等动物传代快的特点，因此也引起了学术界的广泛重视。 • 近几年，学术界把越来越多的目光投向了微小RNA（microRNA）的研究。miRNA是一种大约长21个碱基的非蛋白质编码RNA，其在信号传导、物种鉴定和胁迫应答中都有重要的作用。

5. 简介 • 植物是自然界中的生产者，也是大多数动物的食物，对其各种组学的研究将会对社会和生态产生巨大的影响。转录组学的概念在提出之后得到了快速的发展，利用转录组学的思想对植物进行研究将会是今后的热点。

6. Scott J. Emrich等人[1]将454 DNA测序技术和LCM耦合，利用从幼株茎见分生组织中得到的cDNA生成了261,000个ESTs，从中发现了大约400个尚未在其他物种中发现同源序列的转录物。大约70%的ESTs在之前利用富含SAMs的尖端组织得到的cDNA文库得到的EST工程中均未发现，而454-EST中也至少有30%的序列和之前的玉米ESTs没有对齐，再利用RT-PCR对其进行证实，于是发现了27个在GenBank中还缺少直系同源的新基因。从该实验方法中，还得出可以将LCM和454测序技术进行耦合，促进发现和细胞类型有关的专有转录物。 Scott J. Emrich等人[1]将454 DNA测序技术和LCM耦合，利用从幼株茎见分生组织中得到的cDNA生成了261,000个ESTs，从中发现了大约400个尚未在其他物种中发现同源序列的转录物。大约70%的ESTs在之前利用富含SAMs的尖端组织得到的cDNA文库得到的EST工程中均未发现，而454-EST中也至少有30%的序列和之前的玉米ESTs没有对齐，再利用RT-PCR对其进行证实，于是发现了27个在GenBank中还缺少直系同源的新基因。从该实验方法中，还得出可以将LCM和454测序技术进行耦合，促进发现和细胞类型有关的专有转录物。 Scott J. Emrich等人[1]将454 DNA测序技术和LCM耦合，利用从幼株茎见分生组织中得到的cDNA生成了261,000个ESTs，从中发现了大约400个尚未在其他物种中发现同源序列的转录物。大约70%的ESTs在之前利用富含SAMs的尖端组织得到的cDNA文库得到的EST工程中均未发现，而454-EST中也至少有30%的序列和之前的玉米ESTs没有对齐，再利用RT-PCR对其进行证实，于是发现了27个在GenBank中还缺少直系同源的新基因。从该实验方法中，还得出可以将LCM和454测序技术进行耦合，促进发现和细胞类型有关的专有转录物。 1利用转录组发现新的基因及对本身的研究 Scott J. Emrich等人将454 DNA测序技术和LCM耦合，利用从幼株茎见分生组织中得到的cDNA生成了261,000个ESTs，从中发现了大约400个尚未在其他物种中发现同源序列的转录物。大约70%的ESTs在之前利用富含SAMs的尖端组织得到的cDNA文库得到的EST工程中均未发现，而454-EST中也至少有30%的序列和之前的玉米ESTs没有对齐，再利用RT-PCR对其进行证实，于是发现了27个在GenBank中还缺少直系同源的新基因。从该实验方法中，还得出可以将LCM和454测序技术进行耦合，促进发现和细胞类型有关的专有转录物。 Zhang, Guojie等人针对8株种植中的水稻机体提出了转录组图集。利用高通量pair-end RNA测序技术，明确检测到极端低水平的转录物和大量的新转录物，外显子和非翻译区。水稻转录组选择性剪接的分析表明，选择性顺式剪接发生在大约33%的水稻基因中，这远远高于先前的报道。此外，还确定了234个假定的反式剪接产生的嵌合转录物，表明了转录比希望的情况更加复杂。深度分析揭示了众多的融合基因，其可能是选择性剪接的副产品。验证和嵌合转录物结构分析提供了这些转录物中某些更可能在细胞中是具有功能性的证据。两者合计，数据提供了大量的证据表明水稻中转录法则比之前所认为的更加复杂得多。 Julia A. Chekanova等在研究外来体的过程中证明了植物外来体和酵母和后生多细胞生物不同，它掌控了一种意料之外的功能塑性，展现了一个在基因组广度上的拟南芥外来体靶区的地图集。此外，研究还提供了在植物中普遍的聚腺苷酸化和外来体接到的RNA质量控制的证据，揭示了稳定的结构RNA的代谢的意外的方面，也揭露了许多新的外来体底物，这些包括很多之前还没被描述过的mRNAs, miRNA处理中间体和数百个无编码RNAs的子集，它们属于一个只能通过抑制外来体活性才能可视化的转录组。这些第一手的基因组广度上外来体底物的染色体图将会启发真核生物转录组的新的基本组件和管理机理，为接下来更深层次的研究打下了坚实的基础。 • 冗长繁复的染色体序列上真正具有转录成蛋白质功能的序列，即基因区，在染色体上所占的比例是很小的。即使在基因组测序已经基本完成的今天，也难以鉴别单独的一段序列是否是一个基因，特别是未知的基因。而从转录组入手，就变得相对容易了。

7. 2 利用转录组研究植物逆境胁迫 霍达，张恒，戴绍军等人整合分析了盐芥、星星草、獐茅、盐地碱蓬、紫羊茅、海蓬子、刚毛柽柳等7种盐生植物盐碱胁迫应答转录组学的研究结果，发现在盐碱胁迫条件下，植物可以通过改变转录相关基因的表达丰度调控蛋白质，如相关代谢蛋白的合成过程，来抵御胁迫对生长的影响，如保持渗透平衡。 Lucas Damián Daurelioa等人通过研究注射柑橘溃疡病菌后烟草的转录组变化，发现2087个转录衍生片段中共筛选出20%的基因表达存在差异，并且基于序列相似性，82个TDFs差异确定并分配给不同的功能类别：56个显示与已知的功能，12个蛋白未知功能和14个没有与之匹配的的蛋白。再通过实时PCR技术进行选择的转录物，以确认获得的表达模式。结果表明，有新基因和非寄主抗性的植物——病原菌相互作用体系有关系 • 植物的生存条件多种多样，既有温湿的热带雨林气候，也有干燥寒冷的寒带气候，因此从植物界的整体角度说，植物具有很强的适应力。但是随着环境的破坏，各地都出现了不同程度的盐碱化和沙漠化，这导致原本肥沃的土壤上寸草不生，变得死气沉沉，作物无法种植，畜牧业也无法开始发展，当地人民的粮食安全无法保障，生活苦不堪言。因此研究植物逆境胁迫具有重大的意义。 Xuefeng Zhou等开发了一种基于转录组的计算方法对植物中寒冷应激的miRNA进行功能注释，在拟南芥中发现了又11个miRNA家族19种miRNA基因在寒冷胁迫下应激上调，其中有有8种是间断诱发型的，还有3种在低温下连续表达。同时还把寒冷应激miRNA的数目从4扩大到8。对启动子进行研究，发现寒冷应答miRNA基因在启动子中包含很多一直的胁迫相关顺式调控元件，同时也表明很多传导途径例如植物生长素途径可能会受到寒冷应激miRNA的影响。此法能广泛地应用于植物miRNA对别的生物和非生物胁迫的应答中。

8. 3 利用转录组研究生理及代谢途径 Renate Müller等将拟南芥的叶子进行P饥饿、P饱和、糖自养和糖异养条件的培养来获取P和蔗糖水平差异很大的组织。然后对其进行转录组分析，分别对这两个因素分别的影响和共同的影响下基因的调控情况。在本研究中发现很多基因的转录产物改变量超过2倍，例如在P饥饿的应答中，171个基因被诱导而有16个被抑制，而蔗糖培养则引起了337个基因的诱导和307个基因被抑制。并且发现了一些新的候补基因和P敏感的转录因子及信号蛋白。在此过程中，有将近150个基因发生协同或者拮抗作用，并发现两个因素结合起来的影响要大于分别的影响。这些相互作用的基因通过不同的应激模式和功能组成了三种主要的簇。第一种簇(cluster 1)最可能表现一种调控机制来支持在P和糖类丰富的条件下加快的生长和发育。另一种簇(cluster 3)表现了基因诱发来减缓P饥饿而这些由于糖类积累进一步诱发的。因此，在P和Suc之间的相互作用揭露了两种不同的信号传导过程和在对环境因子应答中的基因调控的新的相互作用。顺式调控元件对每个因素和相互作用簇都进行了分析。PHR1的结合位点在P调控基因的启动子中更多，而E2F和PHR1结合位点啧分别更频繁地出现在簇1和簇3中。 SadhuLeelavathi等人研究了由烟草psaA和psbA基因缺失引起的全基因组的响应，这些基因编码PSI和PSII的核心部件，分别地，通过叶绿体基因工程方法生成。转录组和定量蛋白质组分析显示核与叶绿体基因的特异分组的下调包含了光合作用，能量代谢和叶绿体起源。数据显示，几个防御和压力应答基因包括那些和活性氧清除机制有关的同时激活。一个重大的发现是，缺失突变的质体基因组的转录差别。已知将由质体转录的编码PEP的基因大部分都下调但是那些由核编码NEP的基因则是上调，说明多个响应PSI和PSII复合体破坏的信号途径的同时激活。对psaA和psbA缺失突变的基因组广度转录组和蛋白质组分析显示了在核和叶绿体中特异性分组基因同时的上调和下调，表明这是一个复杂的环路，涉及到逆行和顺行的对协同表达核与叶绿体基因组响应的信号机制。 Yi Wang等人分析了花粉萌发和花粉管生长期间从干的成熟花粉粒到含水的花粉粒然后到花粉管的转录组的改变。研究发现，不论是总表达基因还是特殊的表达基因，表达的基因的数目从干的成熟花粉粒到含水的花粉粒然后到花粉管都显著地增加，这与花粉萌发和管生长在外加转录控制抑制剂的试管内显著地抑制的发现是一致的。而在花粉萌发和花粉管生长期间，与细胞援救，转录，信号转到和细胞运输有关基因的表达都显著地改变了，大多是上调，其中钙调蛋白/类似钙调蛋白，阳离子/氢离子交换器和热击蛋白家族的基因变化最大。这些结果证明了基因的转录，包括表达基因的数目和转录水平都增加了。此外，在花粉萌发和花粉管生长期间许多新转录物的出现表明这些新表达的基因可能在这个复杂的过程中发挥作用。 • 转录组自身成分的变化引起细胞内和细胞外蛋白质含量的变化，由此可见，同时，转录组某个mRNA含量的多少一定程度上可以体现出该蛋白原的表达量，同时由于某个条件的变化引起的转录组成分的变化，如植物在不同的生长阶段都具有不同的特征，代谢途径也可能有所不同，也可以从源头上对该代谢途径进行研究，因此从转录组入手，研究代谢途径，从而对其进行调控和操纵，也是一种很好的方法。

9. 4 利用转录组研究杂交优势的分子机制及育种 朱桢等人利用转录组研究了超级杂交水稻的亲本及其杂交系的转录组的区别，发现杂交系确实与其亲本具有明显的差别，杂交系的转录组比亲本的转录组更加巨大，同时根据发现的区别，进一步研究了这些基因的功能，认识到这些具有表达差异的基因和杂交优势有着莫大的联系，对杂交优势的机理有了更进一步的认识。 Frisch Matthias等人分析了来自217×14的46-K的寡核苷酸阵列的阶乘父母玉米品系幼苗的转录组，调查了转录谱的距离测度，比较了基于AFLP标记的基因距离和评估了基于转录组的距离的适用性并预测了杂交优势。研究结果表明，转录为基础的预测杂种表现和杂种优势有很大的潜力，提高玉米杂交育种计划的效率。 • 杂交育种是提高作物产量的有效方式，在育种方法中占有重要的地位。虽然杂交的方法已经被使用了千百年，但是学术界对其机理还是不太清楚，目前关于这种情况共有三种定量基因理论：the dominance theory，本理论假设在亲本都具有有害的等位基因，这些基因在杂交系中被弥补； the overdominancetheory, 该理论假定杂交系超过亲本是因为在单个位点发生了杂交； 还有 the epistasistheory，此理论将杂交优势归因于非等位基因的交互作用。

10. Thank you！！！