糯谷和粳谷胚乳淀粉合成酶活性及其转录组分析与验证

Foxtail millet is a special crop in China，and is main grain crop in the Inner Mongolia Autonomous Region. Millet quality plays an important decisive role in industrialization development. High quality and yield waxy millet cultivars are urged in millet production. Nutritional quality, eating quality, heterosis utilization, genome sequencing and comments, waxy gene polymorphisms were studied for millet, but not reported on dynamics of starch synthase activity and their transcriptome analysis in endosperm formation in China. Hybrid parents of no-waxy and waxy millets and their hybrids, which have been equipped by our research group, will be used to analyze the grain starch accumulation dynamic and their changes of starch synthase activity in the process of grouting. Alignment mRNA sequencing data to millet reference genome sequences by high-throughput transcriptome sequencing technology(RNA-seq). Predict new transcript, shear and different SNPs/InDel. Assessment advanced quality of RNA-seq and different express analysis. Different gene GO, KEGG and protein interaction enrichment will be conducted. Detect the relative expression of differentially expressed genes using fluorescence quantitative RT-PCR, which will be compared with Illumina sequencing results. Aimed at exploring metabolic networks of millet strach synthesis and some key genes and function in starch synthesis, providing experimental basis on millet quality improvement by molecular techniques.

谷子是我国的特色作物，也是内蒙古自治区的主要杂粮作物。谷子品质对其产业化开发具有重要决定作用，选育优质高产糯谷子品种是谷子生产中的迫切要求。国内在谷子营养品质、食味品质、杂优利用、基因组测序与注释、waxy基因序列多态性等方面进行了大量研究，但未见有关胚乳形成期淀粉合成酶活性动态与转录组分析的报道。本项目以粳谷×糯谷及其杂交后代为材料，分析其灌浆过程中籽粒淀粉积累动态和淀粉合成酶活性的变化。利用高通量测序技术对其mRNA测序数据进行参考序列比对分析；预测分析新的转录本、剪切体和差异性SNP/InDel；评估RNA-seq整体质量，进行差异表达分析；对差异基因进行GO富集、KEGG富集和蛋白互作富集分析；利用荧光定量 RT-PCR检测差异表达基因的相对表达量，并与Illumina测序结果比较。旨在发掘谷子淀粉合成的代谢网络和一些淀粉合成的关键基因及功能，为谷子品质分子技术改良提供参考依据。

为了挖掘谷子粳糯性相关的差异基因，依据灌浆期GBSSⅠ、SSS和SBE酶活性动态变化，利用高通量测序技术Illumina Hiseq4000对糯谷公谷68(灌浆期第1和5天)和粳谷赤谷4号(灌浆期第1和10天)未成熟籽粒进行转录组测序。结果表明：(1)三种酶活性均呈现低—高—低的变化趋势，其中GBSSI、SSS和SBE活性在灌浆第5天、10天和3天分别达到最大。(2)Unigene注释到eggNOG和KEGG数据库的同源比对信息分别为73752和37785条，其中eggNOG依其功能约分为24类，KEGG依其功能注释到有机系统、新陈代谢、遗传信息处理、环境信息处理和细胞进程的Unigene序列依次分别为2457、20382、10214、2259和2473个。GO功能分类将345137条Unigene分到生物过程、细胞组分和分子功能三大本体，分别含25、15和10个GO子类别。(3)GBSSⅠ活性最高和最低时，糯谷差异基因数量较少，上调较下调表达基因多431个；粳谷差异基因数量较多，上调较下调表达基因多97个。说明糯谷籽粒形成过程中差异基因个数变化不大，且上调基因为主导因素，粳谷籽粒形成过程中差异基因个数变化较大。(4)灌浆前期糯谷差异表达基因GO富集最大的为种子油体生物发生功能，粳谷是光合作用、光系统中的光捕获I和色素结合功能；灌浆前期粳糯谷GO富集程度最大的是芳香族化合物生物合成。(5)粳糯谷差异表达基因KEGG富集在植物激素信号转导途径变化均较明显；粳谷在植物-病原体相互作用途径变化显著，但糯谷不显著。(6)筛选出SSⅡ-3、PHO1、AS、WAXY等表达量(TPM值)较高且差异较大的差异基因10个，以Actin(Si001873)为内参基因，将21个差异基因进行qRT-PCR验证，其中10个粳糯相关的差异基因与转录组结果相吻合。(7)完成本项目任务后，还进行谷子Waxy基因全序列比对与多态性位点分析、Waxy基因exon9-exon14区间SNPs和InDels分布，以及不同谷子品种农艺性状、营养品质、感官食味品质和理化特性变异分析。(8)在国内核心期刊发表基金标注的相关论文11篇。申请国家发明专利1项，培养硕士研究生9人(已毕业6人)。项目投入经费40万元，支出35.2926万元，各项支出基本与预算(调整)相符，剩余经费4.7074万元，用于后续研究支出。