【項目文章】強大的四倍體雜交水稻

轉錄組分析新型四倍體水稻與育性和雜種優(yōu)勢特異相關的差異表達基因
Scientific Reports 2016

研究背景

水稻是最重要的糧食作物之一，在過去的50年里，通過雜交育種已經(jīng)大幅度提高了水稻的產(chǎn)量。然而雜交育種最近幾年也遇到了瓶頸，多倍體化則成為水稻育種的另一條思路。多倍體化能夠提高優(yōu)勢基因發(fā)生重組和相互作用的可能性，提高水稻對環(huán)境的適應能力。

同源四倍體水稻（autotetraploid rice）是二倍體水稻經(jīng)過染色體加倍形成的新種質。同源四倍體水稻亞種間雜種F1具有強大的生物學優(yōu)勢，蘊含著巨大的增產(chǎn)潛力，可望成為未來水稻育種的新途徑。然而，其雜種F1普遍存在育性偏低，產(chǎn)量優(yōu)勢難以發(fā)揮，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上難以直接應用的問題。所以，如何創(chuàng)制育性正常且能克服雜種F1不育性的新型四倍體（neo-tetraploid）是利用其優(yōu)勢的關鍵。

為了避免同源四倍體水稻育性偏低的問題，華南農(nóng)大某研究組經(jīng)過20年的努力，培育出2個新型四倍體水稻，其結實率可達80%以上，于2016年獲得國家植物新品種權。本研究旨在通過轉錄組測序，研究新型四倍體（Huaduo 3）與同源四倍體雜交F1代的花藥、子房和葉片的基因表達情況，為解析新型四倍體育性和雜種優(yōu)勢的分子機制打下基礎。

材料方法

新型四倍體水稻Huaduo 3（H3），40種不同的同源四倍體水稻，以及雜交F1代。同源四倍體水稻 Huajingxian 74-4x（T452）與H3的雜交F1代用于測序分析。
轉錄組測序：取T452，H3及雜交F1代的三種不同組織分別進行轉錄組測序，包括減數(shù)分裂階段的花藥、減數(shù)分裂階段的子房、開花階段的旗葉。每個組織每種品系有3個生物學重復，共27個樣品。測序平臺為Illumina HiSeq 2500，平均每個樣品測約5G。
小RNA測序：取T452，H3及雜交F1代的減數(shù)分裂階段的花藥進行小RNA測序，無生物學重復。
全基因組重測序：兩個親本T452和H3的葉片DNA用于全基因組重測序。
嗯，測序手段還是挺多滴！

技術路線

 

研究結果

1.新型四倍體水稻Huaduo 3（H3）的育種及其與其它四倍體水稻的雜交過程
將兩種同源四倍體水稻（Jackson-4x和96025）進行雜交，獲得F1代雜交種。F1代雜交種再進行連續(xù)自交，到F5代時發(fā)現(xiàn)一株水稻有80%的結實率，這株水稻經(jīng)過多代連續(xù)自交，到F10-F13代時出現(xiàn)可以穩(wěn)定遺傳的高結實率性狀，這個品系被命名為Huaduo 3（H3）。H3不僅結實率高，還有其它高產(chǎn)性狀（表1），其花粉母細胞有90%以上是正常的。
將H3與40種其它品系的同源四倍體水稻（26個印度種和14個日本種）進行雜交，獲得的40種F1代表現(xiàn)出了很多大大優(yōu)于親本的性狀，尤其是單株谷粒數(shù)、結實率、單株產(chǎn)量等性狀。為了進一步研究雜交F1代的雜種優(yōu)勢，我們挑選了T452和H3的雜交F1代進行轉錄組研究。T452是一種育性較低的同源四倍體，雜交F1代的高親優(yōu)勢幾乎都是正的，除了谷粒長度和10谷粒寬度兩個指標。雜交F1代的中親優(yōu)勢除了10谷粒寬度這一個指標以外都是正的，說明雜交F1代表現(xiàn)出了明顯的雜種優(yōu)勢。
高親優(yōu)勢（High-parent heterosis，HPH）是指雜交F1代的產(chǎn)量或者某一數(shù)量性狀的數(shù)值與高值親本（HP）同一性狀數(shù)值差值的比率。高親優(yōu)勢（%）=(F1-HP)/HP*100%。
中親優(yōu)勢（Mid-parent heterosis，MPH）指雜交F1代的產(chǎn)量或者某一數(shù)量性狀的數(shù)值與雙親（P1和P2）同一性狀的平均值差值的比率。中親優(yōu)勢（%）=[F1-(P1+P2)/2]/(P1+P2)/2*100%。

表一：T452與H3雜交F1代的雜種優(yōu)勢。HPH：高親優(yōu)勢；MPH中親優(yōu)勢；PH：植株高度；EP：單株谷粒數(shù)；FG：單花谷粒數(shù)；SS：結實率；GYP：單株產(chǎn)量；GL：10谷粒長度；GW：10谷粒寬度。

圖1：親本和雜交F1代的表型。（A）Jackson-4x（T45），Huaduo 3（H3）與96025（T44）的谷粒大小，H3是來自T45和T44的雜交；（B）H3在大田中的長勢；（C）T45，H3，T44的植物表型；（D）Shennong15-4x（T424），H3，以及兩者雜交F1代的表型。

2.轉錄組測序
因為T452和H3的雜交F1代表現(xiàn)出了優(yōu)良性狀，因此可以通過轉錄組測序研究性狀差異的原因。取T452，H3及雜交F1代的三種不同組織分別進行轉錄組測序，包括減數(shù)分裂階段的花藥、減數(shù)分裂階段的子房、開花階段的旗葉?？偣矞y了548M clean reads，平均有89.06%的reads可以比對到參考基因組上，其中93.45%都是比對到唯一位置上。三個生物學重復之間的相關性都達到了0.8以上。用qRT-PCR的方法對12個差異表達基因（DEG）的表達量進行了驗證，結果與轉錄組測序的結果一致。對不同樣品進行層次聚類分析表明，相同組織的樣品總能聚到一塊（圖2）。

圖2：所有基因的層次聚類分析。AN：花藥；OV：子房；LE：葉片。

3.差異表達基因（DEG）分析及注釋
在三個不同株系中共發(fā)現(xiàn)17877個DEG，兩兩比較的DEG數(shù)目在1521到2498之間（表2）。F1和親本之間的DEG稱為DEGF，親本之間的DEG稱為DEGP。DEGF的基因能分為兩個不同的組，其中一個組在DEGP里面也有，另一個組只屬于DEGF，后者被稱為DEGFu。這些DEGFu基因能夠解釋F1和親本之間的表型差異，因此接下來的研究種重點關注DEGFu基因。在這17877個DEG里面，有1150，1014，1122個DEGFu與花藥、子房、葉片有關，其中分別有807，663，866個基因與花藥、子房、葉片特異相關，這些基因被稱為DEGFu-sp。

表2：三個不同組織中的差異表達基因統(tǒng)計。AN：花藥；OV：子房；LE：葉片。

為了研究DEGFu-sp基因的功能，我們首先研究了其中的轉錄因子，共發(fā)現(xiàn)了44個轉錄因子，花藥里面16個，子房里面10個，葉片里面18個。對DEGFu-sp基因的蛋白互作網(wǎng)絡分析表明這些基因相互之間有顯著的聯(lián)系，多個代謝通路富集程度較高。

GO富集分析表明花藥中的DEGFu-sp基因有19個生物學過程類別顯著富集，包括光合作用、代謝途徑、合成調控和轉錄調控。6個通路類別顯著富集，包括光合作用和代謝通路。13個基因在F1中的表達量顯著高于T452。在807個花藥特異的DEGFu-sp中，15個基因與46個其它重要基因共表達。

接下來用同樣的方法對子房和葉片中的DEGFu-sp基因進行了GO富集分析。在葉片當中有5個基因在F1中表達量顯著高于T452。H3水稻葉片在開花過程中顏色逐漸變化，而T452葉片在開花過程中顏色保持不變。因此，我們比較了葉片中F1比T452上調的基因，以及H3比T452上調的基因，兩者有74.01%的重合。有趣的是，在葉片中發(fā)現(xiàn)了兩個主要的功能基因類別，分別是程序性細胞死亡和防御反應。

4. 花藥特異性差異表達基因與減數(shù)分裂有關

因為T452育性較低，而F1代育性較高，為了研究育性的差異，我們重點研究了F1花藥中與T452相比上調的基因。首先，有643個基因在F1花藥中與T452相比特異上調，這其中排除了H3與T452相比上調的基因。對這643個基因進行GO分析表明，有6個功能基因類別富集，這些基因與防御反應、光合作用、細胞凋亡和程序性細胞死亡有關。這其中有41個基因在育性較低的同源四倍體中表達量低于二倍體。在這41個基因中，4個基因，LOC_Os04g33830，LOC_Os12g08770，LOC_Os06g21590，LOC_Os07g25430，與光合作用有關。

接下來，將這643個特異上調的基因與野生型水稻花藥減數(shù)分裂相關基因的表達量相互比較，發(fā)現(xiàn)有9個基因都在減數(shù)分裂前期到四分體期表達。

隨后，我們比較了花藥特異性差異表達基因DEGFu-sp和野生型水稻減數(shù)分裂相關基因表達數(shù)據(jù)，共發(fā)現(xiàn)有42個減數(shù)分裂特異性基因和8個減數(shù)分裂相關基因（圖3）。在8個減數(shù)分裂相關的基因中，有兩個基因和DNA修復和染色體結構有關。

因為轉錄組也會被表觀遺傳調控，我們也進了小RNA測序。在花藥中發(fā)現(xiàn)了288個差異表達的miRNA（DER），其中有13個為新發(fā)現(xiàn)的。在這288個DER中，有38個只在F1與親本相比中特有，這38個基因被稱為DERFu。這38個DERFu有397個靶標基因。GO分析表明這397個靶標基因有7個功能基因類別富集，這些基因與細胞凋亡、防御反應、程序性細胞死亡、細胞自噬、DNA完整性和脅迫反應有關。而且，大部分靶標基因同于F1或者H3中上調的基因。然后我們比較了這38個DERFu與之前發(fā)現(xiàn)的差異表達miRNA數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中一個miRNA，osa-miR5072_L-2_1ss3AG，在

Taichung65-2x和 Taichung65-4x水稻中的四倍體中下調。這個miRNA靶標基因為 LOC_Os02g24960，是一個逆轉錄轉座子基因。

圖3：與育性和雜種優(yōu)勢相關的基因在染色體上分布。紅色為葉片中的基因，藍色為花藥中的基因，黑色為子房中的基因。

表3：花藥中的差異表達miRNA（DER）列表

5.雜交F1代非累加基因表達
F1代表達的基因可以分成兩個類別，一類是累加基因，一類是非累加基因。累加基因的表達量來自兩個親本的等位基因之和，非累加基因的表達量由兩個親本等位基因的平均值決定。在三個組織中共發(fā)現(xiàn)了1224個非累加基因（NDEG），在花藥、子房和葉片中分別為314個，578個，332個。其中895個上調，329個下調。通過對花藥NDEG和水稻花藥減數(shù)分裂特異性基因表達數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)了53個共有的基因。其中有7個基因在四倍體中表達量低于二倍體水稻。

表4：非累加表達基因（NDEG）和DEGFu及不同組織的DEGFu-sp數(shù)量統(tǒng)計。星號表示NDEG在F1表達的總基因中的比例。

6.DNA序列差異與雜交F1代的差異表達基因之間的關系
DNA重測序表明T452和H3有很多序列差異，兩者共有2351039個SNP，其中1192412個SNP在T452中特異存在，374460個SNP在H3中特異存在。兩者共有499448個Indel，其中248194個Indel在T452中特異存在，84196個Indel在H3中特異存在。將T452和H3相比，SNP和Indel多態(tài)性分別為66.77%和69.97%。在這些多態(tài)性位點中，約65%的SNP和72%的Indel在基因區(qū)。47.67%的SNP和53.37%的Indel位于差異表達基因的調控區(qū)域。另外，有58908個SNP和5561個Indel位于基因編碼區(qū)。
因為T452和H3存在大量的DNA序列差異，我們分析了DEGFu-sp中基因的DNA序列差異，結果表明花藥、子房和葉片中分別有330個、291個、459個基因存在DNA序列差異（SNP或Indel）?；ㄋ幭嚓P的330個基因可以分為15個不同的生物學過程類別，主要和光合作用、細胞代謝、轉錄和生物合成有關。子房相關的基因有1個生物學過程富集，即代謝通路。同樣的，葉片相關的基因有8個生物學過程富集，包括氮代謝、細胞運輸?shù)?。這些富集的生物學過程基本上與DEGFu-sp富集的生物學過程一致。
另外，非累加差異表達基因中也有SNP和Indel，花藥、子房和葉片中分別有67個、133個、87個基因存在DNA序列差異，并對這些基因進行了富集分析。其中25個基因為轉錄因子。

結論

本研究培育了一個新型四倍體水稻H3，H3與同源四倍體T452雜交產(chǎn)生的F1代具有育性高、產(chǎn)量高等優(yōu)良的雜種優(yōu)勢性狀。通過比較H3，T452，以及雜交F1代的三個不同組織（花藥、子房、葉片）的轉錄組差異，尤其是重點分析了花藥的轉錄組差異，找到了多個與減數(shù)分裂有關的差異表達基因，這些基因可能與雜種優(yōu)勢有關。對花藥的小RNA測序也找到了一些F1中差異表達的miRNA，這些miRNA的靶基因也與轉錄組測序中上調的基因有大部分重合，說明miRNA可能參與調控了雜交F1代的性狀差異。對兩個親本DNA序列的差異進行全基因組重測序分析，并與轉錄組數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析，找到了DNA層面上兩者育性差異的可能原因。

創(chuàng)新點

培育出高結實率的新型四倍體水稻，可以用于四倍體水稻育種；
轉錄組測序比較了新型四倍體水稻，同源四倍體水稻及雜交F1代不同組織的轉錄組差異，找到了影響四倍體水稻育性和雜種優(yōu)勢的相關基因；
小RNA測序和全基因組重測序結果與轉錄組數(shù)據(jù)相結合，深入解析性狀差異原因。

點評

這篇文章選取的實驗材料很好，性狀優(yōu)良，而且研究得很深入，比較了三種水稻三個不同組織的轉錄組，還進行了小RNA測序和全基因組重測序。通過深入分析，找到了一些影響水稻育性和雜種優(yōu)勢的相關基因，為后續(xù)的育種工作打下了基礎。
對多種測序手段結合分析感興趣的小伙伴快來試試吧！

參考文獻

Guo H, Mendrikahy J N, Lei X, et al. Transcriptome analysis of neo-tetraploid rice reveals specific differential gene expressions associated with fertility and heterosis[J]. Scientific reports, 2017, 7:40139.