水稻胁迫应答基因3’UTR模体及相关miRNA的生物信息学研究

论文摘要

水稻（Oryza sativa）是一类单子叶植物,作为一种谷类作物,全球大部分人将其作为重要主食,其产量在全球范围内仅次于玉米。自水稻人工栽培以来,水稻的经济性状,尤其对胁迫的耐受性一直为人们所密切关注。胁迫是指对植物正常生理活动产生干扰的环境因子,当胁迫超过自身调节能力时,植物机体就会受到不可逆性伤害。胁迫包括生物胁迫与非生物胁迫这两大类：生物胁迫指由于人类、动物或微生物等一系列生物因子所引起的啃食、践踏等胁迫；非生物胁迫是指由于温度、盐分和水分等一系列非生物因子所引起的光胁迫、盐胁迫和干旱胁迫等。植物在长期进化中,逐渐形成了一系列应对生物和非生物胁迫的应答机制（例如植物体内的内源激素调控机制等）用以维持生命、生长与繁殖。植物往往通过改变特定基因表达而应对胁迫,因此胁迫应答基因的表达调控机制一直是广大科研工作者所关注的热点。基因的表达调控一般分为转录调控和转录后调控。在转录后调控中,mRNA的非编码区（包括5’UTR和3’UTR）扮演着重要角色。miRNA （MicroRNA）是一类内源性非编码小RNA,长度约22个核苷酸,miRNA通过与靶基因mRNA 3’UTR特定位点结合,调控植物胁迫诱导基因表达。所以研究胁迫诱导基因3’UTR区域的模体（motif）及其与模体结合的miRNA,是研究胁迫诱导基因表达调控的一种较为有效的途径。我们通过编写Perl程序等方法,依据现有数据提取了水稻蛋白编码基因的3’UTR序列和CDS序列,进而对基因功能进行注释,按照基因是否为胁迫应答基因进行分类,分别构建胁迫应答基因和非胁迫应答基因的3’UTR序列与CDS序列数据库。然后,用模体预测软件,对上述数据进行模体预测。将通过以上四组数据获得的模体进行比对和分析,筛选出在胁迫应答基因与非胁迫应答基因之间存在差异的特异定位于3’UTR的模体。miRNA通过与蛋白编码基因的3’UTR模体结合,调控胁迫应答基因的表达水平。研究相关miRNA及miRNA SNP对于探讨水稻1niRNA在胁迫应答中的潜在功能非常重要。我们基于现有水稻SNP数据,分析了水稻pre-miRNA区、侧翼区（位于pre-miRNA上下游,与pre-miRNA等长的区间）的SNP分布。与先前已经报道过的绝大多数生物不同,SNP在水稻pre-miRNA区的频率与侧翼区无显著性差异。进一步研究SNP在pre-miRNA二级结构中的分布发现,种子区SNP频率跟茎区、环区也无显著性差异。然而,SNP在水稻基因区分布跟其它生物相似,即基因区SNP频率显著低于基因侧翼区。SNP在pre-miRNA中的分布特点可能与SNP在不同miRNA基因之间的不均衡分布有关。部分miRNA对水稻功能非常重要,经受较强纯化选择,导致SNP频率较低。而另外部分miRNA基因由于人工选择或人工栽培,正经历纯化选择压力放松,积累较多突变而成为新的基因或失去功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1 植物胁迫应答基因的调控方式与mRNA结构
• 2 真核生物中的转录后调控与3’UTR
• 2.1 3 ’UTR区与mRNA末端信号加工
• 2.2 3 ’UTR区与mRNA在细胞质内的正确定位
• 2.3 3 ’UTR区与mRNA的翻译
• 2.4 3 ’UTR区与mRNA的稳定性
• 2.5 3 ’UTR区与5’UTR区的分子内互作
• 2.6 3 ’UTR区与miRNA
• 3 植物miRNA与植物胁迫应答机制
• 3.1 植物miRNA的合成
• 3.2 植物miRNA的特点
• 3.3 植物miRNA的作用机制
• 3.4 miRNA与植物生物胁迫应答机制
• 3.5 miRNA与植物非生物胁迫应答机制
• 3.6 植物胁迫应答机制研究与miRNA的研究展望
• 第二章 水稻胁迫应答基因3’UTR模体的计算识别
• 1 前言
• 1.1 胁迫种类与基因调控方式
• 1.2 植物胁迫应答调控模体的研究现状
• 1.3 植物胁迫应答基因3’UTR模体研究与农业发展
• 2 材料与方法
• 2.1 水稻Unigene数据、成熟miRNA数据与miRNA功能注释数据
• 2.2 水稻Unigene数据的解析与筛选
• 2.3 水稻基因CDS和3’UTR序列与胁迫关系的判定和提取
• 2.4 水稻基因CDS数据库的构建
• 2.5 水稻基因3’UTR数据库的构建
• 2.6 水稻基因3’UTR序列中的motif预测与初选
• 2.7 水稻胁迫应答基因3’UTR调控motif的复选
• 2.8 水稻胁迫应答基因3’UTR调控motif的功能分类
• 2.9 水稻寒胁迫应答基因3’UTR调控motif数据库的构建
• 2.10 水稻基因3’UTR调控motif数据库的构建
• 3 结果与讨论
• 3.1 水稻基因CDS序列数据库建立
• 3.2 水稻基因3’UTR序列数据库建立
• 3.3 水稻基因3’UTR调控motif数据库建立
• 3.4 水稻寒胁迫应答基因3’UTR调控motif数据库建立
• 3.5 水稻胁迫应答基因3’UTR候选motif的解析
• 3.6 水稻胁迫应答基因3’UTR候选motif的解析与功能分类
• 第三章 水稻microRNA的SNP多态性分析
• 1 前言
• 2 材料与方法
• 2.1 pre-miRNA数据、SNP数据、水稻染色体数据
• 2.2 Pre-miRNA在水稻染色体上的定位
• 2.3 Pre-miRNA及其侧翼区,蛋白编码基因及侧翼区SNP分布
• 2.4 Pre-miRNA二级结构分区及SNP分布
• 2.5 SNP位点、pre-miRNA和蛋白编码基因在染色体上的分布
• 2.6 SNP分布的显著性检验
• 3 结果
• 3.1 水稻pre-miRNA及其侧翼区SNP频率无显著性差异
• 3.2 水稻蛋白编码基因及基因侧翼区SNP分布
• 3.3 水稻中SNP位点、miRNA基因及蛋白编码基因在染色体上的分布
• 3.4 水稻SNP在pre-miRNA二级结构不同区间的分布
• 4 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文