CN110029185A - 一种在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,包括以下步骤:s1.培育剑麻参试材料,并进行剑麻叶RNA的提取及质量检测;s2.进行剑麻叶纤维的转录组测序;s3.进行转录水平差异比较分析,筛选出差异表达基因;s4.进行差异表达基因的GO功能显著性富集分析和Pathway显著性富集分析;s5.从转录组数据中挑取两种不同表达趋势的4个基因在不同纤维发育时期进行实时荧光定量PCR试验,并与RNA‑Seq转录组数据中该基因的表达趋势进行吻合性检测,验证RNA‑Seq转录组数据的可靠性;本发明为深入开展纤维发育相关功能基因的克隆和功能验证提供理论基础,为剑麻纤维品质的遗传改良提供理论依据。
Description
技术领域
本发明属于剑麻研究领域,具体涉及在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法。
背景技术
1.剑麻在国民生产中的地位
剑麻(学名:Agave sisalana Perr.ex Engelm.)又名菠萝麻,龙舌兰科龙舌兰属,共约300种,以普通剑麻、剑麻新变种、龙舌兰杂种11648号、灰剑麻、墨西哥麻、马盖麻、番麻、假菠萝麻、抽拉和暗绿剑麻等较多,是一种多年生热带硬质叶纤维作物,其原产墨西哥,现主要在非洲、拉丁美洲、亚洲等地种植,是当今世界用量最大,范围最广的一种硬质纤维。剑麻纤维质地坚韧,耐磨、耐盐碱、耐腐蚀,广泛应用于渔业、航海、工矿、运输、油田等事业上,以及用于编织剑麻地毯、工艺品等生活用品上,具有重要的经济价值,目前还通过剑麻纤维和玻璃纤维与酚醛树脂共混,制备出纤维混杂复合材料,强度较高、耐磨性、综合性能较好,这为剑麻纤维及制品的开发提供了极为广阔的发展前景。
我国剑麻主要分布在生长于雷州半岛及广西部分地区。我国政府对剑麻产业还将实施一系列的资金扶持和税收减免等优惠政策。目前广西壮族自治区财政厅已下拨150万元人民币用于剑麻新产品研究开发,另拨款380万元人民币用于建设剑麻优良种苗的繁殖基地和病虫害防治。农业部提出到2005年,我国剑麻种植面积要达到2万公顷的发展规划,仅广西剑麻种植面积就要达到1万公顷以上,预计年生产剑麻纤维5万吨左右。我国目前最大的剑麻制品生产基地广西剑麻工业园日前由广西剑麻有限责任公司在广西扶绥县正式开工建设。
H.11648是以假菠萝麻为母本,蓝剑麻为父本进行杂交,获得有性杂交第一代F1,再利用开花的F1作为亲本与蓝剑麻回交而获得有性杂种回交一代BC1,通过系比、选择、培育而成的,是目前种植面积最大的生产种,纤维含量较高。狐尾龙舌兰是观赏品种,剑麻含量低。剑麻纤维是取自剑麻叶片中的维管束纤维,是一种天然硬质纤维,是剑麻产业生存发展的关键。剑麻纤维长度、束纤维强力及含杂率是评定剑麻品质的重要物理指标。测定剑麻叶纤维含量对剑麻的管理和栽培都起到重要的作用。
2.高等植物纤维发育转录组测序的研究进展
转录组测序技术(又称RNA-Seq),是最近发展起来的利用深度测序技术进行转录组分析的技术,即从总RNA中富集出单链mRNA,经反转录得到双链cDNA,然后将cDNA文库中的长片段随机打断为小片段(或者是先将RNA片段化后再反转录成cDNA),在cDNA两端加上标记性的测序接头,之后利用合适的高通量测序仪按照需求的核苷酸数量进行足够深度的转录组测序(图1)。
麻是传统的纤维作物,也是四大天然纤维之一。麻类作物的研究已经受到许多国家和政府的重视,在栽培生理、分子生物学等研究领域已取得较大成果,但转录组学方面的研究报道较少,主要集中在亚麻[4]。近年来,许多学者利用芯片杂交技术筛选出大量纤维发育相关基因,从分子水平上对纤维发育机理进行了解[5],但该技术受参考序列的限制,不能充分检测转录本。
转录组测序技术(又称RNA—Seq)可以在没有完整基因组序列的前提下,研究所有的mRNA转录本的丰度信息,发掘新的转录本和可变剪接体,且可以得到定量更准确、分析更可靠、重复性更高及检测范围更广的结果。目前,该技术已经被广泛应用。Wang等利用DGE(Digital gene expression)技术分析徐州142和fl(fuzzless/lintless)突变体胚珠在纤维发育起始阶段和伸长阶段的基因表达情况,发现表达差异大的几个基因是纤维素合成酶基因、磷酸(脂)酶基因和脱氢酶基因[6]。Pang等利用454高通量测序技术对海岛棉(PimaPhy 76)和陆地棉(Acala1517—99)10DPA纤维进行分析,其中Pima Phy76拼接到的1900条EST contigs中,分别有1005、1064条Contigs与A2、D5同源,738条Contigs与A2、D5均同源[7]。Lacape等利用454高通量测序技术结合DGE、芯片技术对海岛棉、陆地棉的10DPA、22DPA纤维发育相关基因进行研究,揭示膨胀素、脂质转移蛋白在海岛棉10DPA的纤维中上调表达[8]。Liu等对生长10d、30d、60d的“中苎麻1号”的根、叶、茎韧皮部、茎的木质部进行了转录组测序,产生了43,990个unigenes平均读长是824bp,34,192(77.7%)个基因被功能注释,51个纤维素发育的相关基因被发现[9]。李锡花等利用Illumina HiSeqTM 2000对棉花纤维发育O、3DPA(Days post anthesis)的胚珠及10DPA的纤维进行RNA—Seq测序,通过对棉纤维发育10DPA基因转录水平差异比较分析,推测出脂类相关基因可能在纤维伸长发育过程中起重要作用[5]。Ashish K.Pathak等研究了两种大小核基因型不同的荔枝在胚珠发育阶段转录水平的变化[10]。Marina Naoum-kina利用RNA-seq分析陆地棉短纤维突变体Ligon-lintless-1(Li1)和-2(Li2),揭示水通道蛋白在棉花纤维伸长的重要作用[11]。高通量二代测序技术的迅猛发展为利用转录组测序技术研究剑麻纤维发育奠定了基础。
3.本发明的目的和意义
与水稻、玉米等作物相比,剑麻分子基础研究薄弱,遗传背景了解相对不足。近年来,基于Illumina测序平台的RNA-Seq转录组测序技术被广泛应用,为快速而高效地建立植物分子基础平台提供了便捷的途径。剑麻纤维发育是一个复杂有序多基因调控的过程,尽管目前很多学者致力于研究纤维发育相关基因及发育机制,但是分子机制仍然不是很清楚。本项目运用新近发展起来的RNA-Seq转录组测序技术,以遗传背景存在显著差异的H.11648(蓝剑麻和假菠萝麻的杂交后代)和狐尾龙舌兰为材料,筛选出剑麻纤维发育的差异表达基因,并从分子水平深入探讨功能基因的表达模式,为深入开展纤维伸长相关功能基因的克隆和功能验证提供了丰富的基因资源,为剑麻纤维品质和产量的遗传改良提供理论依据。
发明内容
为实现上述技术目的,本发明采用的技术方案如下:
在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,包括以下步骤:
s1.培育剑麻参试材料,并进行剑麻叶RNA的提取及质量检测;
s2.进行剑麻叶纤维的转录组测序;
s3.进行转录水平差异比较分析,筛选出差异表达基因;
s4.进行差异表达基因的GO功能显著性富集分析和Pathway显著性富集分析;
s5.从转录组数据中挑取两种不同表达趋势的4个基因在不同纤维发育时期进行实时荧光定量PCR试验,并与RNA-Seq转录组数据中该基因的表达趋势进行吻合性检测,验证RNA-Seq转录组数据的可靠性。
进一步的,步骤s1中,培育狐尾龙舌兰和剑麻H.11648为供试材料,采取定植后5年的壮龄剑麻叶片为材料,并设置3个生物学重复。
进一步的,步骤s1中,按RNAprep pure植物总RNA提取试剂盒指示,分别提取三个材料叶纤维总RNA,用1%琼脂糖凝胶电泳检测总RNA的纯度及完整性。
进一步的,步骤s2中,测序得到的数据采用Trinity软件进行Devo从头组装得到Unigene,通过Blastx将Unigene序列与KEGG、COG、SwissProt、TrEMBL、NR数据库比对,得到对应的功能注释结果;再通过WEGO软件做GO功能分类统计,用Path finder软件并依据KEGG注释分析Unigene的代谢通路。
进一步的,步骤43中,所述GO功能显著性富集分析的步骤为:
s31.根据Unigene的NR注释信息,利用Blast2GO软件将差异表达基因向GO数据库的各term映射,并计算每个term包含的Unigene数目,从而得到具有某个GO功能的基因列表及基因数目统计;
s32应用超几何检验,找出与整个基因组背景相比,在差异表达基因中显著富集的Go term。
进一步的,步骤s4中,所述Pathway显著性富集分析以KEGG Pathway为单位,应用超几何检验,找出与整个基因组背景相比,在差异表达基因中显著性富集的Pathway。
进一步的,对同一材料幼龄麻和壮龄麻基因的差异比较分析时,应进行差异表达基因的表达模式聚类分析和时空表达模式分析。
进一步的,在对不同材料差异基因表达进行分析时,Unigene表达量的计算使用FPKM法,根据基因的表达量计算该基因在不同样本问的差异表达倍数;定义差异表达基因为FDR小于或等于0.001且倍数差异在2倍以上的基因,得到所述差异表达基因之后,对差异表达基因做GO功能分析和KEGG Pathway分析。
本发明的有益效果为:本发明运用新近发展起来的RNA-Seq转录组测序技术,以遗传背景存在显著差异的H.11648(蓝剑麻和假菠萝麻的杂交后代)和狐尾龙舌兰为材料,筛选出剑麻纤维发育的差异表达基因,并从分子水平深入探讨功能基因的表达模式,为深入开展纤维伸长相关功能基因的克隆和功能验证提供了丰富的基因资源,为剑麻纤维品质和产量的遗传改良提供理论依据。
附图说明
图1为转录组cDNA文库构建及测序流程;
图2为本发明的研究技术路线示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明,下面结合实施例对本发明技术方案进一步说明。
本发明以广西亚热带作物研究所剑麻种质资源圃中的假菠萝麻、蓝剑麻和H.11648为供试材料,采取定植后5年的壮龄剑麻叶片为材料,3个生物学重复,涉及的实验方法与技术路线如下文:
1.剑麻叶纤维转录组测序及实时荧光定量PCR分析(qRT-PCR)
①RNA的提取及质量检测
按RNAprep pure植物总RNA提取试剂盒(购于TIANGEN公司)指示,分别提取三个材料叶纤维总RNA。用1%琼脂糖凝胶电泳检测总RNA的纯度及完整性,检验合格样品送公司测序。
②数据的生物信息学分析
将公司测序得到的数据采用Trinity软件进行Devo从头组装得到Unigene,通过Blastx将Unigene序列与KEGG、COG、SwissProt、TrEMBL、NR等数据库比对,得到对应的功能注释结果。再通过WEGO软件做GO功能分类统计,用Path finder软件并依据KEGG注释分析Unigene的代谢通路。
③差异表达基因的GO功能显著性富集分析
根据Unigene的NR注释信息,利用Blast2GO软件将差异表达基因向GO数据库的各term映射,并计算每个term包含的Unigene数目,从而得到具有某个GO功能的基因列表及基因数目统计。然后应用超几何检验,找出与整个基因组背景相比,在差异表达基因中显著富集的Go term。
④差异表达基因的Pathway显著性富集分析
Pathway显著性富集分析以KEGG Pathway为单位,应用超几何检验,找出与整个基因组背景相比,在差异表达基因中显著性富集的Pathway。
⑤实时荧光定量PCR分析(qRT-PCR)
从转录组数据中挑取四种不同表达趋势的8个基因在不同纤维发育时期进行实时荧光定量PCR(qRT-PCR)验证,并与RNA-Seq转录组数据中该基因的表达趋势进行吻合性检测,验证RNA-Seq转录组数据的可靠性。
2.不同材料差异基因表达分析
Unigene表达量的计算使用FPKM法(Fragments per kb per millionfragments)。根据基因的表达量(FPKM值)计算该基因在不同样本问的差异表达倍数。差异表达基因定义为FDR≤0.001且倍数差异在2倍以上的基因。得到差异表达基因之后,对差异表达基因做GO功能分析和KEGG Pathway分析。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,其特征在于,包括以下步骤:
s1.培育剑麻参试材料,并进行剑麻叶RNA的提取及质量检测;
s2.进行剑麻叶纤维的转录组测序;
s3.进行转录水平差异比较分析,筛选出差异表达基因;
s4.进行差异表达基因的GO功能显著性富集分析和Pathway显著性富集分析;
s5.从转录组数据中挑取两种不同表达趋势的4个基因在不同纤维发育时期进行实时荧光定量PCR试验,并与RNA-Seq转录组数据中该基因的表达趋势进行吻合性检测,验证RNA-Seq转录组数据的可靠性。
2.根据权利要求1所述的在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,其特征在于:步骤s1中,培育狐尾龙舌兰和剑麻H.11648为供试材料,采取定植后5年的壮龄剑麻叶片为材料,并设置3个生物学重复。
3.根据权利要求1所述的在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,其特征在于:步骤s2中,按RNAprep pure植物总RNA提取试剂盒指示,分别提取两个材料叶纤维总RNA,用1%琼脂糖凝胶电泳检测总RNA的纯度及完整性。
4.根据权利要求1所述的在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,其特征在于:步骤s2中,测序得到的数据采用Trinity软件进行Devo从头组装得到Unigene,通过Blastx将Unigene序列与KEGG、COG、SwissProt、TrEMBL、NR数据库比对,得到对应的功能注释结果;再通过WEGO软件做GO功能分类统计,用Path finder软件并依据KEGG注释分析Unigene的代谢通路。
5.根据权利要求3所述的在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,其特征在于:步骤s4中,所述GO功能显著性富集分析的步骤为:
s31.根据Unigene的NR注释信息,利用Blast2GO软件将差异表达基因向GO数据库的各term映射,并计算每个term包含的Unigene数目,从而得到具有某个GO功能的基因列表及基因数目统计;
s32应用超几何检验,找出与整个基因组背景相比,在差异表达基因中显著富集的Goterm。
6.根据权利要求1所述的在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,其特征在于:步骤s4中,所述Pathway显著性富集分析以KEGG Pathway为单位,应用超几何检验,找出与整个基因组背景相比,在差异表达基因中显著性富集的Pathway。
7.根据权利要求1所述的在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,其特征在于:对同一材料幼龄麻和壮龄麻基因的差异比较分析时,应进行差异表达基因的表达模式聚类分析和时空表达模式分析。
8.根据权利要求5所述的在转录组测序水平上进行剑麻叶纤维发育的研究方法,其特征在于:在对不同材料差异基因表达进行分析时,Unigene表达量的计算使用FPKM法,根据基因的表达量计算该基因在不同样本问的差异表达倍数;定义差异表达基因为FDR小于或等于0.001且倍数差异在2倍以上的基因,得到所述差异表达基因之后,对差异表达基因做GO功能分析和KEGG Pathway分析。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190719 |
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