单子叶植物水稻和玉米的质体转录和转录后水平动态调控机制研究

单子叶C3 植物水稻和C4 植物玉米是我国重要的粮食作物。目前国内外对其质体基因的转录水平，尤其是转录后水平的调控机制的研究相对薄弱。本研究拟通过分子生物学和生物信息学等方法，利用已知的质体基因组序列设计单子叶植物的质体基因表达谱芯片，分析和比较水稻和玉米质体基因在不同组织、不同生长发育时期的转录组以及转录后组水平的动态遗传表达差异，探讨C3 植物与C4植物间的异同点。然后利用现代分子生物学技术，对特异表达基因在不同发育阶段，不同组织中表达调控机制进行剖析，筛选质体各发育阶段及组织特异表达调控元件。.本研究将有利于提高单子叶植物质体基因的转录水平和转录后水平调控的认识，有利于构建、测试一系列用于单子叶植物质体定点转化的载体及组织特异表达盒（expression cassette）,有效利用水稻和玉米的质体转化系统。具有重要的理论价值和实际应用价值。

在高等植物细胞中有3个具有独立基因组的细胞器，分别是核、质体和线粒体。与线粒体不同，高等植物不同组织中具有行使不同功能的质体，而且在发育的不同阶段，质体会发生形态和功能上的分化，这些变化多由核基因组和质体基因组相互之间严密调控。目前国内外的研究对质体基因的转录、以及转录后水平的调控机制研究相对薄弱。而多数商业化的植物基因组芯片不包含质体基因组和线粒体基因组的基因信息，且多针对编码区，无法应用于转录后水平调控机制的研究。本研究首次完成了针对四种重要粮食作物（水稻、玉米、高粱和小麦）的细胞器基因表达谱芯片设计，探针涵盖11个基因组的编码区以及非编码区，共计190096条。利用该芯片我们获得了玉米的根、叶及种子的细胞器基因表达谱数据；以及水稻日本晴和明恢63（优良恢复系品种）不同组织（愈伤、根、茎、叶、穗和种子等）、不同发育时期（苗期、分蘖期、孕穗期、抽穗期和灌浆期等）的共88个样品材料的细胞器基因表达谱数据。展开了对水稻和玉米质体基因组在不同生长发育时期的转录水平的动态遗传表达差异的比较和分析。研究发现，质体基因组的表达模式与植物发育密切相关，同时具有物种、品种以及时空特异性。从单个基因层面的分析表明，细胞器基因组中不同类型基因在各个发育时期的表达模式有显著不同，该结果有助于研究在不同组织和发育阶段水稻细胞器特异基因表达调控机理。利用水稻品种中花11(ZH11)的全生育期中的19个组织，共456个RNA编辑位点，发现编辑具有位点特异性，并具有组织和发育阶段的特异性。通过Real-time PCR, Northern Blot 等方法验证芯片数据，我们已筛选出了部分细胞器各发育阶段及组织特异表达调控元件，利用新型筛选标记基因dsdA和dao1，将有利于构建、测试一系列用于单子叶植物质体定点转化的载体及组织特异表达盒(expression cassette)，有效开发水稻质体转化系统，最终实现质体基因表达的精确调控。具有重要的理论价值和实际应用价值。