第七同源群缺体四体小麦在基因剂量平衡研究中的应用

Hexaploid bread wheat arose by two polyploidization events from three diploid species with homoeologous genomes. Chinese Spring nullisomic-tetrasomic lines are a set of classical aneuploids with asymmetric genomes in which the absence of some chromosomes was compensated by the tetraploid homoeologous chromosomes. The plants can grow normally with significant morphological variations. Despite these interesting phenomena, the molecular mechanisms in these useful genetic materials are still not available. In this proposal, we plan to study gene expression profiles in the seventh homoeologous groups because they appeared to relate to spike development using RNA-seq and small RNA sequencing. We will explore the patterns of gene dosage balance on the whole gene regulatory network level via interaction of homoeologous genes. In addition, a network database including the expressed genes and phenotypes will be generated and can be useful for the research of gene function in wheat.

普通小麦是一个典型的异源六倍体作物，它是由三个具有较高亲缘关系的二倍体物种经过两次异源多倍化事件形成的。中国春缺体四体小麦是一套宝贵的非整倍体材料，即某条染色体的缺失可由其部分同源的四倍染色体来补偿。在近年小麦研究史上，其主要用途是提供小麦基因在其三套部分同源染色体上的定位信息，这种染色体的缺失与补偿表现出严重的缺陷型表型如第七同源群的穗子发育性状等。而这种现象的详细分子调节机制尚未有人研究。因此本课题拟选取第七同源群缺体四体小麦和中国春小麦（参照材料）为研究对象，采用RNA-seq和小分子RNA测序技术，在基因表达水平和表观遗传学修饰方面，推测因局部染色体的不对称性所致的基因剂量变化规律，揭示小麦部分同源基因间的互作规律，扩展基因平衡假说。此外，构建缺体四体小麦的基因表达互作调控网络数据库，为小麦功能基因的研究提供参考。

背景：普通小麦是一个典型的异源六倍体作物，它是由三个具有较高亲缘关系的二倍体物种经过两次异源多倍化事件形成的。中国春缺体四体小麦是一套宝贵的非整倍体材料，即某条染色体的缺失可由其部分同源的四倍染色体来补偿。这些缺体四体可以正常的生长，但具有非常明显的表型缺陷。而这种基因缺失与补偿的剂量效应的详细分子调节机制尚未有人研究。结果：通过RNA-seq和小分子RNA测序技术，同中国春相比，在缺体四体材料中，我们鉴定了差异基因和microRNA表达轮廓，这些差异表达的基因在基因组上表现出偏好性的分布。染色体缺失的补偿效应可以部分的被加倍的部分同源染色体所补偿，基因的类型决定了这种补偿效应程度。这些差异基因的功能主要在碳代谢、光合过程、荷尔蒙代谢、响应刺激等方面富集，这些可能和缺体四体的缺陷型表型相关，如株高变矮、旗叶变短、小穗数和穗粒数减少等。结论：第七同源群缺体四体基因表达水平的变异证实了小麦亚基因组基因剂量效应的存在。这种基因剂量的缺失与补偿可以被用作一个模型或者范例去阐述多倍体植物各亚基因组间的功能效应。

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