我国超级杂交水稻基因组学研究及其应用

PPT制作：周凯丽PPT演讲：孙紫烟小组成员：洪豆冯洪波我国超级杂交水稻基因组学研究及其应用LOGO位置123中国杂交稻基因组计划杂交水稻基因组学研究杂交水稻基因组学应用目录超级杂交水稻超级杂交水稻是采取两用光温敏核不育系Y58S为母本，与含籼粳交和籼爪交复合血缘的重穗密粒型强优势恢复系奥R8188配育成。其育种方法是用三系法（不育系，自交系，恢复系）或者后来衍生出的两系法和一系法得到杂种一代。LOGO位置杂交稻基因组计划中国杂交稻基因组计划的第一期工作，以超级杂交稻的父本——籼稻“9311”为对象，包括基因组测序、基因表达和蛋白质表达谱等系列研究。第二期工作，包括杂交稻的母本基因组测序和功能研究，通过比较基因组的系统研究方式，重点探讨杂交优势的机理。LOGO位置2001年9月，完成了中国籼稻基因组工作框架图的绘制工作。2002年12月，中国又领先完成了籼稻基因组的序列精细图的绘制工作。在基因组的基础上，还完成了水稻生长发育全过程的蛋白质组图谱的绘制工作；设计并研制成功了世界上第一个覆盖水稻全基因组的基因芯片，正在进行与蛋白质表达谱相对应的基因表达研究工作。全基因组芯片使全面观察和研究水稻的基因表达成为可能。杂交稻基因组计划LOGO位置水稻基因组学研究—基因组的诠释及结构和功能的系统研究对于基因组的诠释及结构和功能的系统研究，我们用了“全基因组鸟枪法”对籼稻基因组进行了六个覆盖度的测序，并进行了组装，并整合定位到已知的遗传图谱和物理图谱上，得到了基因覆盖为98％水稻基因组精细图。用了约三万条全长cDNA数据集和十万条基因片段来和水稻基因组序列进行比对，定位这些已知基因。最终我们较为满意地完成了工作量和难度都巨大的水稻基因组注释，准确度达90％以上。LOGO位置水稻基因组学研究—基因组的诠释及结构和功能的系统研究依据水稻的全基因组序列，我们选用了已知和预测的全部基因，设计了70碱基长的基因区段进行人工合成。严格筛选条件，挑选基因中最合适进行核酸杂交的部分。为增大使用范围，还兼顾了籼稻和粳稻两个亚种的基因同源性，共合成了6万2千个基因区段，与邓兴旺教授合作，率先成功研制了可批量生产的水稻全基因组基因芯片。水稻第六染色体长臂亚端粒区的局决遗传图（A）和物理图(B)体字表示本研究使用的分子标记,细横线下的数据表示图距(cM);粗横线表示BAC克隆.图A下B间的斜线表示物理图谱与遗传图谱的对应区域.LOGO位置水稻基因组学研究—基因组的诠释及结构和功能的系统研究生物体的功能执行的最终扮演者主要是基因的产物——蛋白质。利用基因组数据库和高性能计算能力结合先进的质谱分析技术，绘制了水稻不同生长时期的蛋白质表达谱，使用双向凝胶电泳和液相色谱两种方法进行蛋白质的分离和鉴定，对其蛋白质表达谱进行了全面的、动态的研究，得到了约一万个蛋白数据标签。这些蛋白质表达谱，加大了水稻基因组数据库的实用性，为基因表达研究和基因预测的准确判定提供了有力的证据。LOGO位置水稻基因组学研究—水稻基因组在人工自然选择下的遗传变异研究DNA序列的变异及对相应蛋白的影响，是不同表形的水稻生物学性状的分子基础。研究水稻的遗传变异是理解基因型与生物表型及功能活动相关性的关键。通过对籼、粳两稻栽培种亚型的全基因组比较分析，得到了超过一百万的单核苷酸多态性。LOGO位置水稻基因组学研究—水稻基因组在人工自然选择下的遗传变异研究经进化分析得处在水稻基因组上多态性较少区域中的那些基因承受更强的选择压力，同时受插入删除的影响更大。因为大多数插入删除都破坏了基因的正常读框，这意味着很多人工选择下发生的突变都是使基因丢掉功能的突变。一些基因的死亡同时使得一些原来隐藏起来的基因的显型特征表现出来，从而在环境变化下快速进化。这揭示了“基因失去功能是人工选择下基因的主要变化之一”。LOGO位置水稻基因组学应用—水稻抗病基因的功能研究与利用水稻白叶枯病是世界上危害最为严重的水稻病害之一。Xa26基因在水稻苗期和成熟期都表现出白叶枯病抗性，通过图位克隆方法从水稻品种明恢63中分离。LOGO位置Xa26基因编码一个富亮氨酸重复序列的类受体激酶，由1103个氨基酸组成。Xa4基因可能为Xa26家族中的成员。对4个籼粳稻品种的序列比对表明，不同水稻单倍型中的Xa26家族由4～12个成员组成。水稻基因组学应用—水稻抗病基因的功能研究与利用LOGO位置水稻基因组学应用—插入突变库在功能基因组学上的应用将某些元件插入到水稻基因组中后，相应位点的基因的表达就可能受到抑制，插入元件同时又可用作标签，从基因组中分离出相应的基因并鉴定其功能。水稻T—DNA插入突变库的构建工作也取得可喜进展，如Jeon等已经筛选出至少30，000个T—DNA插入突变体；Southern杂交和PCR分析表明，大约65％的插入突变体包含一个以上的T—DNA。LOGO位置水稻基因组学应用—插入突变库在功能基因组学上的应用我国学者也做了不少工作，如获得了6，000株含T—DNA(Ds)的转基因植株，其中有60％的植株只含单拷贝T—DNA，旁邻序列分析表明，T—DNA已插入到多条染色体上。对此研究有助于以最快的速度完成水稻基因功能的注解。LOGO位置水稻基因组学应用—水稻雄性不育（恢复）基因的功能研究和利用细胞质和细胞核互作雄性不育性状，刘耀光研究小组在ＢＴ型水稻雄性不育系的线粒体中鉴定到一个不正常的开放阅读框orf79，它与复制加倍的apt6（B-apt6）基因共同转录，编码一个毒素多肽，从而造成水稻发生配子体不育；而恢复基因座位Rf-1上鉴定到2个(PPR)蛋白：R1a、R1b，通过产生内删功能或降解嵌合的B-apt6／orf79的mRNA来沉默orf79，实现水稻的花粉育性的恢复，揭示了在植物不育／恢复系统中存在新的双元转录后调节机制。恢复基因座位Rf-1的定位与2个恢复基因Rf1a和Rf1b的克隆水稻基因组学应用—水稻雄性不育（恢复）基因的功能研究和利用