IB-CAS  > 中科院光生物学重点实验室
超级杂交稻LYP9及其亲本的比较蛋白质组学研究
Alternative TitleComparative Proteomic Analysis of Superhybrid Rice LYP9 and Its Parents
张春艳
Subtype博士
Thesis Advisor卢从明
2011
Degree Grantor中国科学院植物研究所
Keyword杂种优势 光合作用 蛋白表达谱 蔗糖合成 杂交稻
Abstract杂种优势是自然界一种普遍现象,指杂交子代在很多农艺性状表现上优于双亲,如生物量、产量、抗逆性等。水稻是重要的粮食作物,也是杂种优势利用最成功的作物之一。虽然杂交稻的产量得到了极大的提高,但其杂种优势的分子机理却没有得到很好的阐明。蛋白质组学具有高通量,快速分析蛋白质变化的优势,已经在多个领域得到广泛应用。然而蛋白质组学应用于水稻杂种优势的研究却比较少。因此利用蛋白质组学研究水稻叶片蛋白在杂种子代和亲本之间的表达模式,会帮助我们更好的理解水稻杂种优势的分子机理。 杂交稻LYP9(父本9311,Oryza sativa L. ssp. Indica;母本PA64s,mixedbackground of Indica, Japomica, Javanica)是超级杂交稻,其产量比亲本高出20-30%。本文以大田生长的LYP9 杂交组合为实验材料,分析三者在分蘖期、开花期和灌浆期叶片蛋白表达谱的动态变化。通过比较双向电泳图谱,检测到稳定出现的蛋白共1037 个,其中384 个蛋白在三者中的表达发生质与量的显著变化(p<0.05),经MALDI-TOF MS 鉴定了77.3%(297/384)的蛋白,对应222种不同的蛋白。 我们将差异表达蛋白(DP)分为两类:亲本之间差异表达的蛋白(DPPP),子代与亲本之间差异表达的蛋白(DPHP)。由于DPHP 可能是导致子代与亲本差异表型的一个原因,因此研究DPHP 对揭示杂种优势的分子机理具有重要意义。根据蛋白在子代与亲本之间的表达关系,DPHP 进一步分为高于双亲表达的蛋白(H2P,overdominance ),高亲表达蛋白(CHP,dominance),低亲表达蛋白(CLP,dominance),低于双亲表达的蛋白(L2P,underdominance)以及介于亲本之间表达的蛋白(B2P,midparent)。我们发现dominance(72.8-85.8%)是三个发育时期中最大的表达模式。加性(additive)和非加性(nonadditive)是另一种比较蛋白在子代与亲本中表达关系的表达模式。本文研究表明,在所有分析蛋白中,绝大部分蛋白在子代中具有加性表达模式,仅有4.7-7.5%的蛋白在三个发育时期中是非加性表达模式。 为了更好的理解差异表达蛋白的功能,我们将差异表达蛋白进行了功能分类,共分为14 个类群,其中能量代谢占的比重最大(34.0%),其次是代谢(17.2%)、未知蛋白(12.8%)、疾病与防御(8.7%)和无法分类的蛋白(8.4%)。其余的蛋白功能类群包括蛋白合成、转录、信号转导、蛋白降解与存储、转位、细胞生长与分裂、次生代谢和细胞结构。既然DPHP 可能与杂种优势的产生关系密切,我们将DPHP 进行了功能分类,发现DPHP 主要涉及氨基酸代谢、糖和多糖代谢、糖酵解、光合作用、疾病与防御5 个亚功能类群。 因为杂交稻最重要的农艺性状是产量,我们进一步分析了参与光合作用、糖酵解、疾病与防御的DPHP 在三个不同发育时期的表达情况。在分蘖期、开花期和灌浆期分别检测到25,36,38 个参与光合作用的DPHP,其中上调表达(H2P,CHP)的分别有19,28,34 个;参与糖酵解的DPHP 在分蘖期、开花期和灌浆期分别有5,9,8 个,其中上调表达的分别有2,4,7 个。该结果表明在开花和灌浆期参与光合作用和糖酵解的DPHP 以及上调表达的DPHP 比分蘖期多,而且参与疾病防御的DPHP 和上调表达的DPHP 也表现出了相同的变化趋势。我们还分析了参与光合作用、糖酵解、疾病与防御中上调表达的DPHP 在子代和亲本之间的蛋白表达谱,发现大多数上调表达的DPHP 在开花期和灌浆期子代中的表达含量比在分蘖期高。同时我们也证实了LYP9 在开花期和灌浆期的CO2 同化速率和表观量子产率比在分蘖期高。此外,我们还发现参与蔗糖和淀粉合成的一些酶在灌浆期子代中上调表达。 为了验证基因在转录水平上的表达模式,我们在分蘖期、开花期和灌浆期分别选择了31,34,27 个差异表达蛋白(参与能量和代谢)对应的基因进行了定量PCR 检测。结果显示:分蘖期、开花期和灌浆期分别有25.8%、20.6%、18.5%的差异表达蛋白与其mRNA 的表达模式一致。该结果表明基因在转录和翻译水平的表达并不一致。此外,我们将该杂交组合的蛋白质组学数据(297 个DP)与已发表的转录组学数据(3926 个DG)进行比较,在相同发育期共匹配上30个蛋白点(对应24 个基因)。造成该差异的原因可能是采用不同的表达谱技术以及基因在相同时期的转录和翻译水平表达不一致。24 个匹配基因主要涉及能量(33.3%),疾病与防御(16.7%),氨基酸代谢(12.5%),糖和多糖代谢(12.5%)等,而这些代谢过程极有可能参与杂种优势的产生。 通过比较蛋白质组学研究,我们发现LYP9 具有更高的光合作用能力、更强的碳水化合物代谢能力、更好的疾病防御能力。这些能力的提高可能对杂交稻产量的提高具有重要意义。参与光合作用、糖酵解、疾病防御的差异表达蛋白,其数量在开花期和灌浆期比在分蘖期多,而且参与光合作用、糖酵解、疾病防御的上调表达的差异蛋白在开花期和灌浆期子代中的表达量比在分蘖期多,此外杂交稻在开花期和灌浆期的CO2 同化速率和表观量子产率也比在分蘖期高。这种动态变化暗示子代杂种优势在不同的发育时期表现不同。灌浆期是产量形成的关键时期,而水稻叶片的光合作用对产量的形成贡献最大。因此在灌浆期杂交稻叶片具有更多参与光合作用、蔗糖和淀粉合成的蛋白上调表达,会更有利于籽粒的灌浆,更能促进产量的提高。我们的研究结果表明一些重要生理过程在不同发育时期的动态调控可能是水稻杂种优势产生的一个机制。
Pages102
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ibcas.ac.cn/handle/2S10CLM1/11934
Collection中科院光生物学重点实验室
Affiliation中国科学院植物研究所
First Author AffilicationInstitute Of Botany,The Chinese Academy Of Cciences
Recommended Citation
GB/T 7714
张春艳. 超级杂交稻LYP9及其亲本的比较蛋白质组学研究[D]. 中国科学院植物研究所,2011.
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