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水稻种子发育过程涉及了许多转录和转录后水平的精细调控。我们对水稻种子发育过程的基因调控网络进行了系统研究,分离测定了种子中的small RNAs(sRNAs)组成,并鉴定出了可能参与种子发育调控的microRNAs(miRNAs)。
利用Affymetrix全基因组芯片系统分析了胚和胚乳发育过程中整个转录组的变化,鉴定出了种子中优先表达的基因以及在种子发育过程中动态变化的基因。结果表明,代谢相关基因的表达在种子发育过程中存在分化,淀粉合成相关基因主要在胚乳组织中高表达,淀粉降解相关基因在胚中高表达,而脂肪酸合成相关基因在胚组织中高表达。转录因子在水稻种子发育的基因调控上起到关键作用,ABA、生长素等激素通过调节转录因子的功能调控种子发育过程。转录调控网络的结果提示了NAC,CCAAT,GRF等家族转录因子通过调节不同途径参与到种子发育调控。同时,水稻中花11种子的发育在早期阶段对低温敏感,芯片比较分析表明很多种子发育相关的基因在早期被低温下调,提示低温通过下调这些基因抑制种子的发育过程。
为了研究sRNAs在种子发育过程中的作用,利用大规模平行信号测序技术(MPSS)测定了种子中的sRNAs组成。结果发现其中很大部分是重复序列相关siRNAs(rasiRNAs)。这些sRNAs可能通过抑制种子中转座子的跳跃,或者参与基因组印记而影响种子的发育。通过生物信息学分析,我们鉴定了26个新的miRNAs,并制备芯片系统检测了这些miRNAs在胚、胚乳等组织中的表达模式。结果表明大部分miRNAs优先在1-2个组织表达。进一步利用实时定量PCR技术(Real-Time qPCR)验证了部分miRNAs的表达模式。通过比较miRNAs及其靶基因的表达模式,我们发现大部分的miRNAs和靶基因的表达模式是负相关的,仅少部分miRNAs和靶基因的表达呈正相关。我们还发现miRNA*s可以在不同组织中被积累,提示它们也可能通过剪切靶基因发挥功能。种子中高表达的miRNAs可通过调节生长素等信号途径,或者影响细胞微环境中的氧化还原状态参与到种子发育的调控。通过分析过量表达miRNAs和阻遏miRNAs功能的转基因植株,研究了种子中高表达miRNAs的生理功能。这些结果为系统地阐述水稻种子发育的调控打下基础。