栽培西瓜與野生西瓜果實發(fā)育 過程中的轉(zhuǎn)錄組比較分析

郭紹貴 孫宏賀 張海英 劉景安 任毅 宮國義 焦晨 鄭軼 楊文才 費章君 許勇

目的與意義：西瓜是一種重要的水果作物，但其果實發(fā)育和成熟的分子機制尚不清楚。為了更好地了解導致其果實發(fā)育差異的遺傳基礎，對栽培西瓜自交系‘97103和野生種質(zhì)‘PI296341-FR進行比較果實轉(zhuǎn)錄組分析，并對果實發(fā)育過程中特別的代謝產(chǎn)物進行綜合分析，以便為深入了解西瓜果實品質(zhì)形成和成熟過程中的基因表達調(diào)控網(wǎng)絡提供依據(jù)。

材料與方法：以‘97103果肉和中果皮及‘PI296341-FR果肉為材料，分別在果實未成熟期（10 DAP）、轉(zhuǎn)色期（18 DAP）、紅熟期（26 DAP）和完熟期（34 DAP） 4個關鍵發(fā)育階段取樣，以便進行轉(zhuǎn)錄組比較分析。采用華越洋RNA試劑盒提取總RNA，制備鏈特異RNA-Seq文庫，Illumina HiSeq 2000平臺進行單末端100 bp高通量測序。使用Trimmomatic和Bowtie處理原始RNA-Seq數(shù)據(jù)，使用Tophat將得到的高質(zhì)量數(shù)據(jù)與西瓜基因組序列比對。使用DESeq、LIMMA、Benjamini-Hochberg鑒定差異表達基因，GO、TermFinder、Plant MetGenMAP進行差異表達基因功能分析。利用LightCycler480進行qRT-PCR檢測，驗證基因表達。

結(jié)果與分析：（1）基因表達分析：采用Illumina平臺對14個樣品進行鏈特異RNA高通量測序，共獲得3.218億條高質(zhì)量數(shù)據(jù)。其中栽培型西瓜‘97103果肉和中果皮和野生型西瓜‘PI296341-FR果肉中分別有18 198（77.6%），18 392（78.5%）和17 954（76.6%）個基因表達。組織基因差異表達分析顯示，‘97103和‘PI296341-FR的果肉和中果皮分別有2 452、826和322個基因在果實發(fā)育和成熟過程中差異表達。其中，‘97103果實的果肉、中果皮和‘PI296341-FR果實的果肉中，分別有2 064、530和139個基因的特異性表達。以上數(shù)據(jù)表明，在‘97103果實發(fā)育過程中，更多的基因在果肉中有差異表達，這與‘97103果實發(fā)育過程中僅在果肉中出現(xiàn)了一系列的生理生化變化，如顏色、質(zhì)地、含糖量等是一致的。這些結(jié)果反映了‘97103果肉基因表達調(diào)控網(wǎng)絡的復雜性。（2）差異表達基因的基因功能GO富集分析：與西瓜果實品質(zhì)發(fā)育和成熟相關的生物學功能只在‘97103果肉中富集，這些基因在‘97103果肉中的差異表達的基因?qū)υ耘辔鞴虾鸵吧鞴瞎麑嵠焚|(zhì)差異的形成至關重要。在‘PI296341-FR果肉發(fā)育的差異表達基因中，幾乎沒有品質(zhì)發(fā)育和成熟相關的生物學功能富集，這些差異表達基因主要富集于主要與非生物脅迫反應等生物學功能分類，這一結(jié)果與‘PI296341-FR具有更強的逆境脅迫耐受性一致。（3）代謝途徑分析：在‘97103果肉和中果皮及‘PI296341-FR果肉中的差異表達基因分別參與了204條、88條和34條代謝途徑，其中分別有50條、17條和5條代謝途徑發(fā)生了顯著變化。這些變化顯著的代謝途徑可能是導致栽培西瓜與野生西瓜果實品質(zhì)差異的關鍵基因網(wǎng)絡。

結(jié)? ? 論：利用高通量的RNA-seq技術對栽培西瓜和野生西瓜進行基因表達比較分析，獲得了3.218億條高質(zhì)量數(shù)據(jù)。這一數(shù)據(jù)集首次系統(tǒng)展示了野生西瓜果實發(fā)育過程基因表達譜，研究發(fā)現(xiàn)了多個影響西瓜果實品質(zhì)的關鍵基因，鑒定了乙烯生物合成中的調(diào)控基因和成熟相關的信號通路。盡管西瓜屬于非呼吸躍變型水果，但乙烯也參與了西瓜果實品質(zhì)調(diào)控。為深入了解西瓜果實發(fā)育成熟的分子機制提供了新視角。