花粉是植物花器官产生的雄配子，在植物有性繁殖过程中起着重要作用。玉米花药／花粉的发育过程已有许多研究，然而在全基因组水平上对花粉特异性或优势表达基因的研究仍很少。本研究分析了玉米23个组织的转录组数据，筛选获得花粉优势表达基因(PFGs, pollen-preferential genes) 1794个(表达基因共16673个)，GO(Gene Ontology)分析表明这些基因主要参与花粉发育、激素信号转导和运输以及胁迫响应过程，KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)分析表明表达差异值最高的基因参与碳水化合物代谢的通路。此外，对Top-100 PFGs启动子的分析表明，MYB转录因子和植物激素响应元件存在于至少87个花粉优势表达基因的启动子上。上述结果表明，PFGs可能参与了花粉发育和环境适应等相关过程。
目录
摘要3
关键词3
Abstract3
Key words3
引言3
1 材料与方法4
1.1筛选获得玉米花粉优势表达基因4
1.2对所获得基因进行功能分类5
1.3分析Top100花粉优势表达基因启动子内的顺式元件5
2结果与分析5
2.1花粉转录组分析5
2.2功能分析6
2.2.1花粉优势表达基因的GO分析6
2.2.2花粉优势表达基因的KEGG通路分析 7
2.3 Top100花粉优势表达基因启动子顺式作用元件分析7
3 讨论 8
3.1花粉优势表达基因参与花粉的发育和成熟过程8
3.2花粉优势表达基因参与花粉柱头识别反应和双受精过程8
3.3花粉优势表达基因参与开花时期雄穗和花药／花粉应对环境胁迫9
3.4 MYB转录因子在花粉发育中具有重要调节作用10
致谢10
参考文献11
表1 11个玉米组织转录分析数据统计5
图1 在基于保守表达的花粉和其他组织共表达网络中单个基因的表达谱比较6
图2 玉米花粉优势表达基因GO分析统计图6 *51今日免费论文网|www.jxszl.com +Q: ^351916072^ 

图3 玉米花粉优势表达基因KEGG通路分析统计图7
图4 玉米花粉优势表达基因启动子的推定顺式调控元件分布示意图7
玉米全基因组花粉优势表达基因的鉴定
引言
玉米是世界三大粮食作物之一，2017年中国玉米播种总面积为42399千公顷，在农作物总播种面积中占比最高，达到25.49%，总产量为25907.1万吨。作为目前杂种优势利用最为成功的作物之一，玉米生产上主要利用杂交种。在杂交玉米生产过程中，为避免母本植株自交，需要在母本抽雄散粉后人为去除雄穗，无论是手工去雄、机械去雄还是化学杀雄，都存在耗费人力、财力，甚至造成一定程度上的环境污染的缺点，因而创制和使用优质雄性不育系显得尤为重要。
花粉作为开花植物重要的繁殖器官之一，需经过一系列复杂的生物过程发育而成：L2层玉米花药原基内的孢原细胞产生大量的初生造孢细胞，初生造孢细胞通过有丝分裂发育为小孢子母细胞，随后经减数分裂形成含有单倍体小孢子的四分体。该过程通过同源染色体的配对和重组确保了遗传多样性。小孢子从四分体中被释放出来后，先发生第一次不对称有丝分裂形成一个较大体积的营养细胞和一个被营养细胞包裹的生殖细胞，该营养细胞将在花粉萌发时形成花粉管。随后，生殖细胞经过第二次有丝分裂形成两个精细胞，这两个精细胞将通过双授精过程分别形成受精卵和胚乳。最终，成熟花粉粒将被由花药裂口释放 [1,2] 。由此可见，花粉发育应当是一个需要大量基因协调参与的复杂生物过程。
Mascarenhas在1990年将花粉内表达的基因分为早期基因和晚期基因，即分别从减数分裂后开始表达并随着花粉的成熟表达量逐渐减少和从小孢子有丝分裂期开始表达并在花粉成熟至开花期内表达量逐渐增加的两类基因[2]。这两类基因在花粉发育各阶段发挥了各自不同的作用。研究表明，尽管花粉呈现出其独特的发育模式，花粉特异性基因在花粉表达基因中的占比并不高。在拟南芥中，花粉表达基因占拟南芥总表达基因量的约三分之一，其中花粉特异性基因和花粉富集基因分别占花粉表达基因的11%和23%[3]。在150个拟南芥花粉特异性基因中，除35个功能未知基因外，其功能主要集中在信号转导(37)、细胞壁的合成及调控(16)和应激反应(11)[4]。在大豆中，转录组分析显示，花粉表达基因量占植株基因总表达量的27.46%,其中7.87%的花粉表达基因为花粉特异性基因。根据已有的功能注释，大豆花粉发育过程中富集表达的转录因子主要集中在信号识别受体、转运蛋白、热激反应相关蛋白和泛素蛋白酶水解通路[5]。在水稻中，转录组分析显示，花药含有植株内最大也最为多样的转录组，其中10.6%为花药特异性表达基因。这些特异性表达基因在花药发育的不同阶段表达，其中4.4%在三核花粉期、2.0%在单细胞时期、0.5%在减数分裂期、0.2%在减数分裂期前。在已有功能注释的50%花药特异性表达基因中，在减数分裂期表达的基因主要参与编码转录因子以及成为蛋白质折叠、分选和降解通路的组分，在三核花粉期则主要参与细胞结构和信号转导过程[6]。以上的转录组分析和基因功能分析结果扩展了我们当前对于花粉发育调控网络的认知，同时，由于已列出的花粉特异性基因和高丰度表达基因中很多还缺少功能注释，这也为将来发现花粉发育调节关键基因提供了研究基础。目前，一些玉米花粉特异性表达基因已经被成功克隆，如玉米ZmDMC1基因，该基因为拟南芥AtDMC1的同源基因，在减数分裂过程中特异性表达，其在DNA重组早期起作用，可通过DSBs末端的交换形成杂交分子[7]；玉米MPCBP基因在配子体中特异性表达，该基因编码钙调节素相关蛋白，在花粉萌发和生长中发挥作用[8]；玉米zm401基因在绒毡层细胞和小孢子中特异性表达，该基因可能是玉米花药发育过程中重要的调节因子之一[9]。
组织特异性表达启动子由于其仅在植物组织特定时空表达且短时间内表达量大的特点，已被视为植物分子育种中极有应用潜力的工具之一。1990年，Koltunow等发现烟草花药特异性基因TA29的5’端279到150序列区域为调控该基因表达的关键区段[10]。同年，Mariani等首次将TA29与具有细胞毒性的barnase连接构建嵌合基因，选择性抑制了绒毡层的发育从而导致花粉败育[11]。该研究证实了花药／花粉特异性启动子在人工创制雄性不育系上的可行性。近年来，随着越来越多的花药／花粉特异性表达基因和启动子被挖掘，一些玉米花药／花粉特异性启动子也已被鉴定出来，如Zm13[12]、ZmC5[13]和ZmSTK2_USP[14]等。本文通过对玉米全基因组的花粉优势表达基因进行筛选和功能分类，并对花粉优势表达基因启动子区域内的顺式反应元件进行分析，或将有助于鉴定未知功能的玉米花粉优势表达基因和了解玉米花粉发育调控机制等相关研究，对玉米分子育种有一定的参考价值。

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