野生稻近等基因系耐冷机制的代谢组学和转录组学研究

Cold injury is one of the most inportant limiting factors that impacts the rice production in China. Although some progress has been made in the genetic mechanisms, little is known about the metabolic mechanism in cold tolerance response in rice. In this proposal, a near-isogenic line with strong cold tolerance derived from the cross and back cross of the cold-sensitive cultivar 9311 as receptor parent with the cold-resistant Guangxi wild rice donor parent,will be used in pararel to compare their metabolic and transcriptomic response to the cold treatments, to identify the metabolites, metabolic pathways, and corresponding genes involved in the cold tolerance,by ultra performance liquid chromatography and high resolution mass spectrometry and digital gene expression profiling technology. The findings from this research will enrich the knowledge about the sensing and response of the rice to cold injury and provide thoretic guidance for rice breeding for cold resistence.

冷害是制约我国水稻生产的关键问题之一。尽管水稻耐冷性遗传机制研究已取得一定的进展，但水稻应答低温冷害的代谢反应的知识仍然很少。本申请项目以不耐冷的水稻品种9311和以9311为受体亲本与强耐冷的广西普通野生稻杂交、经多代回交育成的耐冷近等基因系DC907-2为材料，采用超高效液相色谱与高分辨质谱联用技术以及数字基因表达谱技术，比较二者在低温胁迫下代谢组和数字基因表达谱的差异，鉴定出与耐冷相关的代谢物、代谢途径和相应的重要基因，为今后通过转基因技术鉴定耐冷基因和分析其生理生化功能奠定基础。本研究结果将丰富水稻感知应答低温冷害的机制性知识，为改良水稻品种的耐冷性和培育耐冷水稻品种提供理论依据。

冷害是制约水稻生产的关键问题之一，本课题采用超高效液相色谱与高分辨质谱联用技术以及数字基因表达谱技术，结合运用生物信息学、细胞生物学等方法，对野生稻近等基因系DC907（水稻耐冷系）和9311（水稻不耐冷系）耐冷机制的代谢组学和转录组学进行研究。UHPLC- Q Exactive 获得的代谢组学数据通过PCA分析筛选得到48个代谢标记物，使用Pathway Enrichment Analysis分析筛选出可能参与生理变化的9条代谢途径。数据分析显示，在冷胁迫前中期，DC907显著的通路变化集中在抗氧化方面，如通过自身的谷胱甘肽代谢途径控制谷胱甘肽（还原型）的含量变化；代谢物原儿茶酸含量增加等。在冷胁迫中后期，DC907合成海藻糖含量变化显著，并且通过半胱氨酸与蛋氨酸代谢途径调控显著增加甲硫氨酸和蛋氨酸亚砜含量。在冷胁迫后恢复时期，对47个代谢标记物跟踪观察结果发现：参与三羧酸循环的有机酸和抗氧化方面物质增加。这些物质的变化符合前人的研究结果。研究结果表明在冷胁迫下，参与TCA循环的有机酸、氨基酸类、苯丙素类和多胺类物质这几类物质大量增加，与有关研究冷胁迫的生理生化的反应结果相一致。 通过对转录组进行测序，发现新基因2509个，鉴定出差异表达基因7506个。在冷胁迫1 d中，9311和DC907差异基因表达情况相似，其中β-淀粉酶、糖基转移酶、HOX、TIFY和WRKY71基因的表达量增加。在冷胁迫3 d中，DC907的DREB1B、HSP81-1、GSTU1和泛素连接酶基因表达上调。在水稻9311和DC907中，随着冷应激时间的延长，DC907中有更多的冷应激基因参与调控。通过对不同差异基因进行功能富集分析，推测Ca2+信号转导、肌醇磷酸信号通路、植物激素生物合成、植物激素信号转导、糖合成及能量物质代谢途径基因参与耐冷响应过程。通过共表达网络分析（WGCNA），筛选出与DC907耐冷高度相关的hub基因，其中包括钙转运ATP酶、生长素应答蛋白和DREB2A编码基因。综上所述，通过课题实施筛选到了与水稻耐冷相关的代谢途径和与耐冷高度相关的目标基因。本研究结果提供了水稻耐冷胁迫的分子生理机制新的知识，为进一步挖掘耐冷基因源和培育耐冷水稻品种提供了理论依据。