单细胞转录组测序技术的研究与应用

传统的转录组测序技术对于群体细胞,最终反映的是基因在群体细胞中的平均表达水平,掩盖了不同细胞之间的表达特异性,而单细胞转录组测序技术是通过对植物或动物组织的单个细胞进行转录组测序分析,了解每个细胞的代谢产物、表达基因,进而对相应的组织进行统计学分析,达到细胞分类、生长衍化、生理病理分析研究的目的。随着近几年多种针对单细胞RNA测序数据的分析工具被陆续开发出来,单细胞转录组测序技术在生物科学研究中的应用也日益广泛。本研究对当前较为普及的单细胞测序技术的方法、流程、数据分析及应用进行总结整理,介绍了近几年的单细胞测序技术在动、植物组织中的研究及应用,以期为更好的利用单细胞测序技术提供参考依据。     

基于转录组测序筛选黄牛低氧适应性相关差异基因

为探明藏黄牛对低氧适应的相关差异表达基因并分析差异表达基因功能和代谢通路,以藏黄牛和三江黄牛心脏组织为研究对象,提取总RNA,建立测序文库后利用Illumina HiSeqTM 4000进行测序,经生物信息学分析筛选出差异表达转录本,并对差异表达基因进行GO富集和KEGG通路分析,最后采用荧光定量PCR(RT-qPCR)验证测序数据的准确性。结果表明:藏黄牛相比于三江黄牛得到显著差异表达基因608个,其中上调基因467个,下调基因141个,推测表达量较高的B2M、COX7C、NFATC1、ECE1、CAST基因是与低氧适应性相关的基因;差异转录本GO功能富集分析可知,在分子功能、细胞组分、生物过程分别富集到327,253,2 191个条目,其中富集程度最高的条目分别是细胞发育过程、结合与转录因子活性、细胞前缘。KEGG分析结果表明,差异转录本显著富集在8条通路,筛选低氧适应性候选基因NFATC1是MP-PKG信号通路与T细胞受体信号通路成员,推测其通过cGMP-PKG通路与T细胞受体信号通路参与低氧适应性调控。采用高通量测序技术对藏黄牛和三江黄牛心脏组织进行转录组测序分析,获得大量差异表达基因,为研究动物低氧适应性机制奠定基础。     

单细胞转录组测序技术及其在植物研究中的应用

为探究单细胞转录组测序技术(scRNA-seq)在植物研究中的应用,本综述对单细胞转录组测序技术的发展状况进行了总结,介绍了其在胚胎发育、免疫细胞、肿瘤领域以及植物研究的运用.其次,就单细胞转录组测序技术中的要点技术(单细胞分离技术、单细胞全转录组cDNA扩增技术、高通量测序技术)进行了总结分析.最后,本文根据植物细胞...     

单细胞测序技术发展及其在作物研究中的应用

作物同一组织中的细胞往往被认为是具有相同状态的功能单位,传统的检测手段分析的是细胞群体的总体平均反应。而单细胞测序是在单个细胞水平对基因组或转录组进行测序分析的技术,通过对单个细胞的DNA或RNA进行测序,表明组织系统层面的功能是由异质性细胞构成的,在解决生物异质性和生物材料的低获取量等问题上具有独特优势,极大改变了人们对许多生物现象的理解。本综述概括了当前单细胞测序技术发展、测序原理、测序流程以及在作物研究中的应用,并对当前已经取得成果的应用领域进行了阐述,以期为作物单细胞测序的研究与应用提供参考。     

高通量测序技术及其在农业科学研究中的应用

高通量测序是DNA测序技术发展中的重大突破,它的出现为现代农业科学的研究提供了前所未有的机遇。总结了以454、Solexa和SOLiD为代表的第二代高通量测序技术的原理以及HeliScope和Pacific Biosciences SMRT为代表的单分子测序技术的最新进展。在此基础上,归纳了高通量测序技术在基因组测序、转录组测序、小分子RNA及数字化基因表达谱等研究领域在农业研究中的应用。最后,指出了当前高通量测序技术的特点并对其在今后研究中的发展方向进行了展望。     

金花葵不同组织的转录组测序及分析

为了获得金花葵转录组信息,研究其功能基因的表达,本试验采用Illumina Hiseq 2500转录组高通量测序技术对金花葵不同组织的转录组进行测序,从差异表达基因中鉴定与黄酮类化合物合成的相关基因。研究结果表明,共获得97.64 Gb有效数据,各样品有效数据均为5.81 Gb,Q30碱基百分比在92.73%及以上。经过组装后共获得52 990条Unigene,其中39 651条被注释。通过KEGG分析,发现不同组织中黄酮类化合物生物合成的基因表达均有较大的变化。检测出单碱基重复至六碱基重复类型的SSR位点4 322个。本试验分析了金花葵各组织参与黄酮类化合物合成的相关基因,为进一步研究金花葵次生代谢产物合成的功能基因挖掘与利用提供充足的理论依据。     

基于转录组测序筛选鸡皮肤毛囊性状相关基因和关键通路

旨在通过对崇仁麻鸡背部皮肤毛囊组织的转录组学分析，筛选关键的差异表达基因和信号通路，探讨鸡皮肤毛囊性状的分子调控机制。采用TRIzol法提取皮肤毛囊组织总RNA,通过Illumina平台进行转录组高通量测序(RNA-Seq)。最后采用实时荧光定量的方法对转录组测序进行验证。研究结果如下：共筛选出了3 856个差异表达基因，在公鸡(BGB vs YGB)比较组合中筛选出了971个差异表达基因，其中274个表达上调，697个表达下调。在母鸡(BMB vs YMB)比较组合中筛选出了3 529个差异表达基因，其中1 477个上调，2 052个下调。在公鸡、母鸡共同的差异表达基因中筛选出了3个与皮肤毛囊性状有关的高表达基因KRT75、KRT6A和KRT14。在GO功能显著富集中，BGB vs YGB比较组合富集到了516个GO term, BMB vs YMB比较组合富集到了1 020个GO term,基因主要集中参与细胞黏附等活动。显著富集了多条KEGG通路，在BGB vs YGB比较组合中富集了8条显著的KEGG通路，在BMB vs YMB比较组合中富集了20条显著的KEGG通路，筛选出了...     

基于高通量测序的植物ceRNA分析策略和应用进展

microRNA (miRNA)是一类长度约19~24 nt的非编码单链小RNA,通过种子序列与靶基因的3'-UTR互补,降解靶基因或抑制其翻译,从而在转录后水平调控靶基因的表达。miRNA广泛存在植物基因组中,参与调控生长发育、细胞维持和分化、信号转导以及逆境胁迫应答等多个生物过程。竞争性内源RNA(ceRNA, competing endogenous RNA)是指具有相同mi RNA反应元件(MRE, miRNA response element)的RNA转录本,能够竞争性结合miRNA,解除其对靶基因的抑制,进而形成复杂的ceRNA调控网络。随着深度测序技术和生物信息学方法在植物学研究领域的广泛应用,植物ceRNA的鉴定速度不断提高。然而由于miRNA与ceRNA结合模式尚不明确以及调控网络的复杂性,植物ceRNA的研究仍处于起步阶段,经实验证实的ceRNA调控关系数量有限。本综述就植物ceRNA的生物信息学预测、实验验证及研究进展进行了全面的阐述。首先,总结了基于RNA-Seq的ceRNA分析流程和常用生物信息学资源。其次,从ceRNA表达特征、调控关系和生物功能三个方面介绍了当前常用的实验验证技术。最后,对近年来植物ceRNA领域国内外的重要进展进行了概述,并展望了今后植物ceRNA的研究前景和拟解决的科学问题,以期为深入了解ceRNA在植物中的调控机制提供参考方法和理论依据。     

转录组测序技术在植物水淹胁迫研究中的应用

水淹胁迫是植物遭受的主要非生物胁迫之一,对作物生长发育、产量、品质等都会带来严重影响,全面解析植物的耐涝机制,对选育耐涝品种具有重要意义。高通量转录组测序技术以其数字化信息、高灵敏度、广泛的检测范围及重复性好等优点,已被广泛用于生物体的多种功能研究。目前在水稻、玉米、油菜、黄瓜、大豆等多个物种中,已有从转录水平分析植物对水淹胁迫的分子响应机制相关研究报道,这对于深度解析植物耐涝的分子响应机制和加快作物耐涝品种选育具有重要意义。但目前尚未有转录组测序技术在植物水淹胁迫应用方面的综述。因此,本研究着重综述了植物水淹胁迫测序组织及时间点选择、各阶段基因表达水平、GO功能富集、小RNA的功能特征几个方面,并展望了新一代测序技术在植物抗逆机理研究中的应用前景。     

不同硬度西瓜果皮的转录组测序及相关基因表达分析

为解析西瓜果皮硬度不同的相关分子机制,挖掘西瓜果皮硬度相关的关键基因提供理论基础,以生育期相似但果皮硬度差异显著的高硬度（901）4-1-1-M和低硬度BSH为试验材料,选取果皮硬度差异最大时期即西瓜授粉30 d后的果皮,利用Illumina HiSeq^TM测序平台进行转录组测序分析,采用实时荧光定量的PCR技术对测序结果进行验证。结果显示,转录组测序共筛选获得1 085个差异表达基因,其中,上调表达基因555个,下调表达基因530个。GO富集分析表明,1 085个差异表达基因显著富集在细胞组分、分子功能和生物过程中的细胞壁、细胞外围、外部封装结构、胞外区、四吡咯骨架、氧化还原酶活性、转移酶活性、果胶酯酶活性等功能类别。KEGG富集分析表明,Cla97C04G075800、Cla97C02G044950、Cla97C09G165820、Cla97C10G195660、Cla97C01G025380等19个差异基因被注释富集程度最高的苯丙烷代谢通路,该路径最终形成木质素、5羟基愈创木酚木质素、愈创木酚木质素和对羟基苯酚木质素代谢物,qRT-PCR和转录组测序数据相关...     

加工番茄耐盐突变体耐盐相关基因的转录组分析

为筛选鉴定番茄叶片响应盐胁迫应答基因,本研究通过甲基磺酸乙酯(methyl ethyl sulfonate, EMS)诱变处理加工番茄‘JW9’获得的16株耐盐突变植株。经单独收种后,利用(RNA sequencing, RNA-Sep)技术对获得的耐盐突变体加工番茄幼苗叶片进行转录组测序分析。提取样品总RNA进行转录组cDNA文库制备后进行Illumina HiSeq/MiSeq测序。对转录组测序结果进行分析共获得了102 Gb大约810 974 186个高质量的Clean阅读序列,Cufflinks软件重构转录本后得到38 190个已知转录本,1 647个未知转录本。在测序样本中共筛选出4 367个基因在样品间显著差异表达,其中上调表达基因2 606个,下调表达基因1 761个。经qRT-PCR检测表明,10个随机选择的差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)表达量变化与转录组测序结果一致。通过GO和KEGG通路富集分析,从具有耐盐功能的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和ATPase酶合成相关的基因中,找到5个显著差异表达基因Solyc08g066270.1和Solyc03g083420.2以及Solyc10g018530.1、Solyc09g082890.1和Solyc02g014190.2可能为耐盐相关基因。本研究从耐盐突变体与原始亲本的差异表达基因中筛选出耐盐候选基因,为进一步鉴定和克隆出番茄的耐盐基因培育耐盐品种番茄提供理论参考。     

基于转录组测序技术挖掘大豆蛋白质合成相关基因

通过转录组测序技术挖掘蛋白质合成相关基因,为解析蛋白质合成机制奠定基础。以遗传背景相近但蛋白含量差异较大的大豆高蛋白品系冀HJ117(蛋白质含量52. 99%)及其回交亲本冀豆12(蛋白质含量46. 48%)为研究材料,利用转录组测序技术和生物信息学分析,以期挖掘大豆籽粒蛋白质合成相关基因。通过对转录组数据中冀HJ117和冀豆12差异表达基因的分析筛选,共得到336个差异表达基因,其中冀HJ117较冀豆12有195个上调表达基因,141个下调表达基因。通过GO功能富集分析,发现在分子功能类型中注释的差异基因主要与催化和连接等功能相关; KEGG显著富集分析发现差异表达基因主要富集在蛋白质内质网合成途径中,该途径共筛选到34个差异表达基因,其中33个基因在冀HJ117中表达量较高。从该途径中筛选出9个候选基因,采用荧光定量PCR方法检测其表达量,表达趋势与RNA-Seq检测结果基本一致,证实了RNA-Seq数据的可靠性。RNA-Seq测序结果获得了与蛋白质合成相关基因的基本信息,蛋白质内质网合成途径可能是冀HJ117与冀豆12蛋白质含量产生差异的重要通路。     

银杏褐化与非褐化愈伤组织的转录组分析

本研究利用环境扫描电子显微镜和高通量测序技术对银杏褐化和非褐化愈伤组织进行细胞结构观察与转录组测序,以探索愈伤组织的褐化机理。扫描电镜观察显示非褐变的愈伤组织细胞排列均匀,褐变愈伤组织的细胞表现出紊乱,排列松散无序。对褐化和非褐化愈伤组织共计6个样品进行了转录组测序,共获得45.66 Gb Clean Reads,各样品Clean Reads均达到6.41 Gb以上。对褐化与非褐化愈伤组织的基因进行差异分析,结果发现分别有275和153个基因上调和下调表达。转录因子分析发现相较于非褐化愈伤组织,褐化愈伤组织中MYB、AP2和NAC等转录因子表达量上调,HD-ZIP下调。KEGG功能富集分析结果表明差异表达基因显著富集在苯丙烷代谢途径,PAL和CCR基因上调表达增加了酚酸的合成与代谢,推测苯丙烷生物代谢途径部分基因表达量上调导致酚酸类化合物的积累,可能是银杏愈伤组织褐化的主要原因。本研究通过扫描电镜观察和转录组测序,为解析银杏愈伤组织褐化的分子机制提供理论依据。     

百蕊草转录组测序及黄酮合成相关基因分析

本研究以正常生长和喷施硝酸银(1 mmol/L)诱导子处理的百蕊草植株作为供试材料,基于高通量测序技术(Illumina Hi-seq 2000 platform)对百蕊草植株进行转录组测序分析探讨其黄酮类代谢通路及相关基因。结果表明,通过转录组测序共获得69 503条Unigene,平均长度为1 226 bp,48 666条被注释,其中9 192条Unigene在不同数据库都成功注释。KEGG分析获得黄酮类生物合成相关差异表达的关键基因中,Unigene较多且有较高表达的基因有查尔酮合酶基因(CHS)、反式肉桂酸4-单加氧酶基因(CYP73A)、4-香豆素-辅酶基因(4CL)、邻羟基肉桂酰基转移酶(HCT),表达量相对较低的基因有苯丙氨酸解氨酶基因(PAL)、黄烷酮3-羟化酶基因(F3H)、黄酮醇合酶基因(FLS)和黄酮醇葡萄糖基转移酶基因(FG3)。本研究还绘制了百蕊草素类成分的生物合成途径。此外,在百蕊草转录组中,检测到了32 008个简单序列重复(SSR)位点,长度为二碱基重复的SSR最为丰富,占34.22%;在单碱基重复和二碱基重复这两种类型中,最主要的优势重复单元分别是A/T和AG/CT。本研究结果为进一步研究百蕊草黄酮生物合成过程和关键基因克隆奠定研究基础。     

基于高通量测序的枣疯病转录组分析

为了研究枣树枣疯病发生的分子机理,基于边合成边测序技术,本研究使用Illumina高通量测序平台对健康及感病的木枣树叶片进行转录组测序分析。经过测序质量控制,共得到Clean Data 55.17 Gb,各样品Clean Data平均为6.13 Gb,GC%含量为45.43%,Q3093.63%,与参考基因组的比对效率在78.41%～85.77%之间,共发掘1 909个新基因。样品间共筛选出9 593个差异表达基因,其中上调基因有6 199个,下调基因有3 394个。同时,还预测出1 298个转录因子,归于55类转录因子,其中AP2-EREBP家族、MYB家族、b HLH家族和C2H2家族最多,分别有112个、90个、90个和85个。健康木枣与感病木枣(ML vs.WL)注释到各数据库的差异表达基因数(4 755)明显多于其它两个样品组。各样品组间差异表达基因显著富集在黄酮类化合物、苯丙烷类化合物和不饱和脂肪酸生物合成途径,以及植物激素信号转导、淀粉和蔗糖代谢和脂肪酸代谢等代谢通路。该转录组测序分析为寻找枣疯病相关基因提供理论参考。     

梁山慈竹高通量转录组测序及差异表达基因分析

分析梁山慈竹及其体细胞突变体的转录组,挖掘功能基因并对其差异表达基因进行筛选和分析,为梁山慈竹遗传改良提供理论依据。利用RNA-Seq技术进行转录组测序,对测序结果进行de novo拼接和功能注释;并对差异表达基因进行筛选及COG、GO、KEGG数据库中进行比对注释,此外,基于Swiss-Prot功能注释结果,分析纤维素和木质素相关功能基因的表达量差异。测序结果表明,共获得86 575 631条reads,de novo组装得到84 741条unigenes,共有49 829条被Nr、COG、GO、KEGG、Swiss-Prot注释。从梁山慈竹实生植株(对照)和体细胞突变体No.30这2个测序样本中,筛选出3 572条差异表达unigenes,757条差异表达unigenes在COG分类体系中具有详细的蛋白功能释义,2 213条差异表达unigenes在GO数据库具有功能定义,385条unigenes被注释到94条KEGG Pathways中。纤维素合成相关纤维素合酶、过氧化物酶、泛素连接酶和热休克蛋白在梁山慈竹体细胞突变体No.30中表达量升高,木质素合成相关MYB4、4-香豆酸CoA连接酶、肉桂醇脱氢酶、肉桂酰-CoA还原酶和漆酶在突变体中表达量降低。提供了全面的梁山慈竹转录组信息,获得了一批在梁山慈竹纤维素和木质素生物合成过程中有重要功能的基因序列。     

文冠果全长转录组测序及分析

为了深入了解文冠果转录组的整体水平及脂肪酸合成与代谢相关功能基因的表达情况,本研究以文冠果根、茎、叶、花为材料利用Pacific Biosciences RS II平台测序技术进行测序及生物信息学相关分析。平台共获得原始数据7.64 Gb,生成110 584个转录本,平均长度为1.9 kb。对所有转录本在NR、SwissProt、KEGG、KOG、GO、NT、pfam数据库进行注释和功能分类,结果共得到102 118个注释基因,占比92.34%。共有351个参与脂肪酸生物合成和120个参与脂肪酸延长的Unigene,分别编码15个脂肪酸生物合成和7个脂肪酸延长的关键酶。同时在110 584条Unigene中分析发现了94 906个SSR位点,单核苷酸重复频率最高(68.29%),并预测了6 059个转录因子(TFs)。与第二代测序(Roche 454 de novo)结果相比,PacBio平台所得到的转录本更长,转录本注释率也得到提高。本研究为文冠果的下一步分子生物学研究提供了较为可靠的转录组数据。     

矮腥黑粉菌胁迫的小麦全基因组重测序与转录组联合分析

为揭示矮腥黑粉菌胁迫下的小麦抗感品种间遗传背景差异,筛选小麦抗矮腥黑穗病候选基因。本研究以小麦感病品种‘伊犁053’和中抗品种‘中麦175’为研究对象,在接种矮腥黑粉菌后对籽粒组织进行重测序与转录组测序的联合分析。经过差异InDel分析后,共有69 840个变异基因与转录组数据进行了联合分析,有7 300个基因在小麦发病籽粒组织中有表达,有162个(2.22%)基因呈极显著差异表达,且基因表达量倍数变化≥1.5倍(‘中麦175’相对于‘伊犁053’,有125个上调, 37个下调);经过差异SNP分析后,共有98 331个变异基因与转录组数据进行了联合分析,有7 438个基因在小麦发病籽粒组织中有表达,有126个(1.69%)基因呈极显著差异表达,且基因表达量倍数变化≥1.5倍(‘中麦175’相对于‘伊犁053’,有86个上调, 40个下调)。本研究成功揭示了在矮腥黑穗病胁迫下抗感病小麦品种间的遗传差异表达信息,为进一步筛选小麦抗矮腥黑穗病候选基因提供参考。     

基于高通量测序技术鉴定松辽黑猪与长白猪背最长肌差异基因

旨在利用高通量测序技术对松辽黑猪和长白猪背最长肌组织样本进行mRNA测序和差异分析,筛选影响猪肌肉生长、肉质和脂肪沉积的关键基因,从而为猪肉品质研究提供新的参考信息。采集6头松辽黑猪和6头长白猪的背最长肌组织样本,提取其RNA,采用Illumina HiSeq 2500高通量测序技术对mRNA进行测序,并对获得的reads进行比对、注释和差异表达分析,用NOISeq筛选出差异表达基因并进行相关生物学功能富集分析。结果表明,从2个猪种间共筛选出了664个差异表达基因,其中,364个基因在松辽黑猪中高表达,300个基因在长白猪中高表达。通过对差异表达基因进行生物学功能分析,筛选出LPIN1、FADS1、FADS2、PLIN2、PPARGC1A、PRKAG2和ACSL1等基因参与脂类代谢和肌肉发育相关的调控,相关通路为脂肪酸代谢、PPAR信号通路、AMPK信号通路、胰岛素信号通路和脂肪细胞因子信号通路等。     

基于转录组测序分析的黄精种子休眠解除相关差异基因研究

旨在获得黄精转录组数据库并挖掘参与其种子发育和休眠解除相关基因,以休眠解除前后的黄精种胚为试材,利用新一代高通量测序手段对供试样品进行转录组测序,并进行系统的生物信息学分析。黄精种子休眠解除前后样品中共得到79716个差异表达基因,上调的表达基因有60074个,下调的表达基因有19642个。休眠解除前后的黄精种胚中共有130284个差异表达基因被GO功能注释到生物进程、分子功能和细胞组分3个大类56个亚类,注释的差异表达基因与代谢过程、生物调控、细胞组分合成和酶催化活性等密切相关。KEGG代谢通路结果表明,共有65038个差异表达基因,涉及138个代谢通路,主要参与碳代谢、次生代谢产物的生物合成和多糖的代谢。基于KEGG数据库中注释结果,共发现15条与黄精种胚休眠解除相关的代谢通路。黄精种子发育与休眠解除过程,大量的种胚形态建成、多糖分解及蛋白质合成差异基因参与表达,并涉及到多个代谢途径的相互作用,构成复杂的休眠解除调控网络。