高丹草杂种优势的转录组学及蛋白质组学研究

Sorghum-sudan grass is an annual gramineous forage with strong inter-specific heterosis whose foliage and stem was widely used in production. While the effective breeding need systematic research on gene expression of heterosis in Sorghum-sudan grass. With the foundational works of genetic mapping, QTLs of yield traits, construction of recombined inbred lines(RILs) and near iso-gene lines(NILs), yield breeding and genetic predicting model of hybrid performance, 3 sorghum sterile lines and 3 types of sudan grass were combined as parental lines according to the NCⅡ design. The transcript derived fragments(TDF) were got with gene expression differential display technique of cDNA-AFLP. The TDFs significantly related to heterosis were cloned and sequenced. Then conserved primers were designed and took PCR to tag the differential TDFs. The gene differential expression was tested with RT-PCR technique. The embryo, leaves and shoot were taken samples for quantitative analysis in proteomics level. The "Omics" technologies were used in research of gene differential expression on transcription and translation. The connection of two levels would help us understand and reveal heterosis of sorghum-sudan grass in detail and direct hybrid breeding program.

高丹草是以利用茎叶为主的一年生禾本科优质饲用作物，其种间杂种优势较强。虽然其杂种优势己在生产实践中得到了广泛应用，但对其理论研究远远滞后于其实践应用。因此本研究在对高丹草遗传图谱构建和产量性状QTL定位以及重组自交系和近等基因系构建与高产种质创新、杂种表现遗传模型等研究的基础上，将以3份高粱不育系和3种不同类型苏丹草为亲本按NCⅡ设计配制成9个杂交组合，拟采用cDNA-AFLP基因表达差异显示技术获得TDF，对杂种优势显著相关的TDF进行克隆和测序，设计保守引物将差异TDF进行PCR标记化，并利用RT-PCR技术对差异表达进行验证；同时对杂交种及其亲本胚和叶片以及根系的基因表达变化在蛋白质组水平上进行定量分析。即采用"组学"技术分别研究高丹草在基因的转录水平和蛋白质水平的差异，再联合两者的对应关系，以更全面、更系统的进一步深入认识与揭示杂种优势形成的遗传基础，为杂种优势遗传理论研究积累资料

高丹草（Sorghum bicolor×Sorghum sudanenes）是由高粱（sorghum bicolor）和苏丹草（sorghum sudanense)杂交而成。由于高丹草是高粱和苏丹草的种间杂交种，亲缘关系较远，但染色体均为2n=20，几乎无生殖隔离，可以自由授粉并产生正常发育的后代，而且其杂种优势非常显著。.因此，本研究在对高丹草遗传图谱构建和产量性状QTL定位以及重组自交系和近等基因系构建与高产种质创新、杂种表现遗传模型等研究的基础上，以3份高粱不育系和3种不同类型苏丹草为亲本按NCⅡ设计配制成9个杂交组合，采用cDNA-AFLP基因表达差异显示技术获得TDF，对杂种优势显著相关的TDF进行克隆和测序，将差异TDF进行PCR标记化，并利用RT-PCR技术对差异表达进行验证；同时，分别利用基于凝胶的双向电泳与基于非凝胶的label free结合质谱的方法对三种基因型的苗期叶片、根系以及成熟胚进行定量蛋白质组学分析，其重要结果：.对8个与高丹草杂种优势相关的TDFs进行回收，找到7个同源蛋白，这些蛋白质在控制植物生长发育方面具有重要作用。.进一步将强优势组合之一11A×白壳苏丹草及其亲本，采用RNA-seq分别对其根、茎、叶的三种组织进行分析，发现有217个显性DEGs在三种组织中均有表达，经KEGG和GO分析，涉及到20个基因，并对其进行了qRT-PCR验证。.2-DE与label free方法的蛋白鉴定结果均表明加性与非加性积累蛋白在高丹草叶片杂种优势形成中具有重要的作用，非加性积累蛋白所占比例显著高于加性积累蛋白，表明非加性积累蛋白起主导作用。生物信息学分析表明高水平核糖体蛋白的积累，碳水化合物的改善，较好的胁迫响应系统可能导致了高丹草根系杂种优势的积累。.通过鉴定差异蛋白旨在深入地剖析高丹草杂种优势形成的分子机理，为杂种优势遗传理论研究积累资料。