利用RNA-Seq开展中国芒属能源植物的转录组研究

The advent of a new generation high-throughput sequencing technologies highlights a revolutionary influence on genomics and transcriptomics of complex crops. Miscanthus species, as a leading bioenergy feedstock crop, have been paid attentions widely based on its exceptional biomass yields with minimal production inputs and higher stress resistance. Up to now, available genetic resources are limited with Miscanthus species. Miscanthus is origin from east-south Asia including China, with a large genome size of 2.5Gb. It offers advantages that a plenty of genetic diversity germplasms in China to meet the requirement for both genetics and genomics studies on Miscanthus. There are four main species of Miscanthus distributed broadly in China: M.sinensis, M.sacchariflorus, M.floridulus and M.lutarioriparius. In this study, we will perform transcriptomics analysis on Miscanthus by the next generation sequencing technology in combination with RNA-Seq and bioinformatics, to reach the complex transcriptome information in a fast, cheaper and high-efficiency way. Experimental materials will obtained from a set of plant tissues harvested at different developmental stages and after four stress treatments (drought, salinity, cold and nutrient-starvation), respectively. We will developed gene expression profiling for the whole genome. We will also analyze the gene expression atlas for identifying elite genes with known effects on such as tolerance to drought, salt, and adverse reactions, high photosynthetic efficiency and cellulose synthesis, and associate SNP markers with putative phenotypes. The primary goal of this research is to build the gene information and transcriptome resources necessary to enable genomics-driven improvement of Miscanthus fuelstock crops.

新一代高通量测序技术的诞生，对于剖析研究复杂庞大的作物基因组和转录组，产生了变革性的影响。芒属植物是世界上最具开发潜力的纤维素能源植物,在很多发达国家倍受关注。芒草起源于东南亚地区，在我国有广泛的种质资源分布和丰富的遗传多样性。中国分布的芒草主要有：芒、荻、南荻和五节芒。本研究将利用Illumina测序技术和RNA-Seq方法，运用生物信息学和分子生物学手段，对我国芒草进行转录组研究。通过对不同发育时期的不同组织器官，以及干旱、盐分、低温、养分胁迫处理的组织材料，进行RNA测序和分析。通过研究，进行芒属植物的全基因组表达谱分析，探索不同芒草种类的基因表达差异，发现芒草的抗逆、高光效、纤维素合成等优异基因，挖掘大量相关功能基因的SNP标记。本项目的开展将有力推动芒草功能基因组学研究及其优异基因的克隆，促进芒草资源的遗传改良、种质创新和新品种培育，为我国再生清洁新能源的开发利用奠定基础。

本研究利用分布于中国的主要芒属植物：芒、荻、南荻、五节芒四个种，进行转录组研究。设置田间常规种植和胁迫处理两个试验组，在田间种植条件下，分别于不同的发育时期进行不同组织器官的取材；胁迫处理包括干旱、低温、盐分、养分四个处理，处理时期在三叶期，分别取叶片和根进行转录组分析。田间条件下共取材180份，胁迫处理共取材240份，各自包含两个生物学重复，共420份材料。分别提取高质量的RNA、测序文库构建、文库质量检测和上机测序。研究利用Illumina公司HiSeq4000测序平台，采用双末端PE150测序策略，420个测序文库，分为5个lane测序。全部样品的测序结果共得到598.10 Gb， 测序质量检测Q30平均值大于91%，GC含量52%左右。单个样品的测序量均达到1 Gb以上。.生物信息学分析表明，本研究的转录组数据揭示了芒草基因组90%以上的基因表达信息，不同芒草种类、不同发育时期、不同组织之间显示出丰富的基因表达差异达，C4高光效、木质纤维素合成等相关优异基因在芒属植物中高效表达。胁迫处理的数据分析发现，不同芒属植物种类之间转录组水平上的显著基因表达的差异，反映出不同种类应对胁迫处理的不同应答机制。不同种类的数据比较分析，挖掘了大量相关功能基因的SNP标记。.研究结果首次全面揭示我国主要芒属植物的基因组信息，向世界科学家展示和提供了全面和高质量的转录组信息，这些结果是我国本土芒属植物转录组研究的原创性成果。本研究成果将推动我国芒草能源植物功能基因组学研究、优异基因的分子克隆，推动我国丰富芒草资源的开发利用，为培育高产、优质、抗逆（干旱、盐碱、瘠薄、低温等）的适宜非粮土地的优良品种，及芒草资源的遗传改良和种质创新，奠定了理论基础。