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梁山慈竹高通量转录组测序及差异表达基因分析



全 文 :华北农学报·2016,31(3):65 -71
收稿日期:2016 - 03 - 10
基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(31400257;31400333);四川省“十三五”育种公关资助项目;四川省生物质资源利用与改性
工程技术研究中心基金项目(12zxsk07;13zxsk01);西南科技大学研究生创新基金项目(15ycx092)
作者简介:王身昌(1989 -),男,山东菏泽人,在读硕士,主要从事植物遗传与品种改良研究。
通讯作者:胡尚连(1966 -),女,河北秦皇岛人,教授,博士,主要从事植物生理与生物技术研究。
梁山慈竹高通量转录组测序及差异表达基因分析
王身昌1,2,胡尚连1,2,曹 颖1,2,徐 刚1,2
(1.西南科技大学 植物细胞工程实验室,四川 绵阳 621010;
2.四川省生物质资源利用与改性工程技术研究中心,四川 绵阳 621010)
摘要: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。
关键词:梁山慈竹;体细胞突变体;转录组;差异表达基因
中图分类号:Q78 文献标识码:A 文章编号:1000 - 7091(2016)03 - 0065 - 07
doi:10. 7668 /hbnxb. 2016. 03. 010
High-throughput RNA-seq and Analysis on Differential Expressed
Gene from Dendrocalamus farinosus
WANG Shenchang1,2,HU Shanglian1,2,CAO Ying1,2,XU Gang1,2
(1. Lab of Plant Cell Engineering,Southwest University of Science and Technology,
Mianyang 621010,China;2. Engineering Research Center for Biomass Resource Utilization
and Modification of Sichuan Province,Mianyang 621010,China)
Abstract:The transcriptome from the shoots of Dendrocalamus farinosus and its somatic mutant was sequenced
using the RNA-Seq technology to elucidate its functional gene and analyze its differential expressed gene,providing
a theoretical basis for its genetic improvement. The sequencing data was assembled by de novo assembly and the dif-
ferential expressed gene screened was annotated in COG,GO and KEGG database. In addition,the differential ex-
pression of gene related to cellulose and lignin biosynthesis was analyzed,basing on the Swiss-Prot function annota-
tion. The sequencing results showed that a total of 86 575 631 reads were produced and assembled into a total of
84 741 unigenes by de novo,among which 49 829 were annotated in Nonredundant protein,Cluster of Orthologous
Groups of proteins,Gene Ontology,Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes and Swiss-Prot database. Besides,a
total of 3 572 differential expressed unigenes were identified from the plant of seeds (CK)and the somatic mutant
No. 30. Of these differential expressed genes,757 unigenes had a detailed protein functions in the COG classification
system,2 213 unigenes had the function definition in the GO database,385 unigenes were annotated to 94 KEGG
Pathways. The expression of genes encoding CesA,Prx,Ubiquitin-conjugating enzyme and Heat shock proteins in-
creased in somatic mutant No. 30,while,the expression of genes encoding MYB4,4CL,CAD,CCR and LAC de-
creased. Our data provide the most comprehensive transcriptomic resource for Dendrocalamus farinosus and the tran-
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script sequences with important function related to cellulose and lignin biosynthesis were found,which provide the
most precious information resources for the further research on bamboo.
Key words:Dendrocalamus farinosus;Somatic mutant;Transcriptome;Differential expressed gene
转录组(Transcriptome)能够从整体水平研究基
因功能以及基因结构,揭示特定生物学过程中的分
子机理[1]。转录组高通量测序技术已经成功应用
于多个非模式生物的研究,如蓝莓经高通量测序筛
选得到大量与抗氧化剂合成相关的候选基因,并基
于果皮和果肉 2 个测序数据库中差异表达基因,初
步分析与类黄酮抗氧化剂合成相关基因以及转录因
子[2];麻竹经转录组测序技术,筛选出与木质素合
成、生长发育相关基因以及转录因子,为麻竹基因组
学研究提供非常有价值的资源[3]。
梁山慈竹(Dendrocalamus farinosus)是西南地区
一个重要的丛生经济竹种,具有抗寒、耐瘠薄、纤维
素含量高、材性好等特点,是制浆造纸的优良原
料[4]。以往对梁山慈竹的研究主要集中在生长特
性[5]、理化特性与纤维形态[6]、细胞壁机械特性[7]
等方面,而由于缺乏梁山慈竹生长发育以及品质特
性等相关分子生物学基础研究,通过基因工程手段
培育优质高产的梁山慈竹研究进展缓慢。基于转录
组高通量测序技术,本试验获得并构建了梁山慈竹
实生植株以及体细胞突变体 No. 30 和 No. 66[8]的转
录组 unigenes 库,并基于梁山慈竹体细胞突变体
No. 30 纤维素和木质素含量均比实生植株高的特
点[9],筛选出与纤维素和木质素合成相关差异表达
基因,为今后梁山慈竹优质性状相关基因的克隆以
及功能分析等研究奠定理论基础。
1 材料和方法
1. 1 植物材料
梁山慈竹 unigenes 库的构建选用 3 份材料:梁
山慈竹成熟种胚离体诱导再生植株 No. 30、No. 66
以及同期生长的梁山慈竹实生植株(CK),2013 年 9
月于西南科技大学生命科学与工程学院资源圃分别
采集 No. 30、No. 66 和 CK 同期生长 30 d、高度一致
的梁山慈竹竹笋,并分成上、中、下 3 个部位,每个部
位分别剪碎并充分混合,然后每个部位均取等量样
品并充分混匀,液氮速冻后保存于 - 80 ℃备用。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 总 RNA提取 参照 RNAprep pure Plant Kit
(TIANGEN BIOTECH公司)说明书上的方法提取竹
笋总 RNA,琼脂糖凝胶电泳及紫外分光光度计用于
检测 RNA质量。
1. 2. 2 测序文库的构建及转录组测序 提取的竹
笋总 RNA经 NEBNext Poly(A)mRNA Magnetic Iso-
lation Module(NEB,7490)富集 mRNA,缓冲剂(Frag-
mentation)对 RNA片段化处理。以 mRNA 为模板,
采用随机引物法,用 NEBNext mRNA Library Prep
Master Mix Set for Illumina (NEB,E6110)和 NEB-
Next Multiplex Oligos for Illumina (NEB,E7500)构建
转录组测序文库。构建好的文库用 1. 8%琼脂糖凝
胶电泳检测文库插入片段大小,然后用 Library
Quantification Kit-Illumina GA Universal (Kapa,
KK4824)进行 QPCR定量。检测合格的文库在 Illu-
mina cbot上进行簇的生成,最后用 Illumina HiSeqTM
2000 进行测序。
1. 2. 3 测序数据的组装及差异表达基因筛选 转
录组测序得到的原始序列经过去除杂质和冗余处理
后,利用 Trinity[10]软件对经过过滤后的高质量数据
进行 de novo 拼接,得到各个样本的 Contig,随后根
据 Contig 结果,利用 paired-end 信息做进一步的序
列拼接,得到各个样本的转录本 Transcript,在转录
本聚类单元中选取最主要的 Transcript 作为各个样
本的 unigenes序列。
差异表达基因的筛选是建立在同一套参考基因
的基础上,对各样本得到的 unigenes数据通过 cd-hit
聚类去冗余,采用 TGICL 的聚类组装策略最终得到
非冗余的梁山慈竹笋期 All-unigenes数据库,并通过
RPKM[11](Reads per kilobase per million mapped
reads)计算样本间的基因表达差异。差异表达基因
的筛选条件:错误发现率(False discovery rate)<0. 01
且 RPKM值的倍数变化(Fold Change)在 2倍以上。
1. 2. 4 功能注释、分类及代谢途径分析 利用
Blast软件(E-value < 1e-05)将梁山慈竹 All-unigenes
序列及差异表达基因序列分别与 Nonredundant pro-
tein (Nr)、UniProt /Swiss-Prot、Kyoto Encyclopedia of
Genes and Genomes (KEGG)、Cluster of Orthologous
Groups of proteins(COG)和 Gene Ontology (GO)数
据库进行序列比对,获得梁山慈竹 All-unigenes及差
异表达基因的功能注释信息。
2 结果与分析
2. 1 Illumina HiSeqTM 2000 测序和序列拼接
提取笋 RNA 通过 Illumina 平台测序,共得到
3 期 王身昌等:梁山慈竹高通量转录组测序及差异表达基因分析 67
86 575 631条 reads,总碱基数为 17. 48 Gb。Q30 值
均达到 80. 00%以上(表 1),可见,本次测序量与测
序质量为后续的数据组装提供很好的原始数据。
CK以及 No. 30 和 No. 66 经高通量测序,整合得到
梁山慈竹 unigenes 84 741 条,总长度为 72. 70 Mb,
平均长度约为 857. 89 bp,N50 长度为 1 595 bp。长
度为 200 ~ 300 bp 的 unigenes 所占比例最大,为
31. 86%;长度大于1 kb的 unigenes 有 23 111 条;所
占比例为 27. 27%(表 2)。
表 1 样品测序数据统计
Tab. 1 Summary of Sample sequencing data
样品
Samples
Reads总数
Total reads
核苷酸总数 /bp
Total nucleotides
GC比例 /%
GC percentage
Q20 比例 /%
Q20 percentage
Q30 比例 /%
Q30 percentage
CK 28 884 144 5 833 026 026 52. 71 89. 40 80. 94
No. 30 25 611 724 5 172 450 058 53. 16 89. 14 80. 56
No. 66 32 079 763 6 478 403 042 53. 07 89. 10 80. 60
注:Q20 表示质量值大于或等于 20 的碱基所占比例;Q30 表示质量值大于或等于 30 的碱基所占比例。
Note:Q20 indicates the quality value is greater than or equal to the proportion of 20 of the base;Q30 indicates the quality value is greater than or equal
to the proportion of 30 of the base.
表 2 梁山慈竹 All-unigenes长度分布
Tab. 2 Distribution of All-unigenes length
of Dendrocalamus farinosus
长度区间 /bp
Length range /bp
reads总数量
Total number reads
比例 /%
Percentage
200 ~ 300 26 998 31. 86
300 ~ 500 19 660 23. 20
500 ~ 1 000 14 972 17. 67
1 000 ~ 2 000 13 657 16. 12
2 000 + 9 454 11. 15
总数量 Total number 84 741
N50 长度 N50 length 1 595
平均长度 Mean length 857. 89
2. 2 梁山慈竹转录物 All-unigenes的功能注释
为从整体上了解转录物 All-unigenes 序列功能
信息,对拼接组装的转录物进行 Nr、Swiss-Prot、
KEGG、COG 和 GO 数据库比对、注释。通过 NCBI
的 BlastX比对,有 49 688 条转录物被注释到 Nr 数
据库,36 907 条转录物被注释到 Swiss-Prot 数据库
(表 3)。84 741条转录物中共有49 829条得到注释。
2. 3 差异表达基因的分析
2. 3. 1 差异表达基因的筛选 梁山慈竹体细胞突
变体 No. 30 纤维素和木质素含量均明显高于 CK,
基于 CK与 No. 30 这 2 个样本的转录组测序数据筛
选纤维素和木质素生物合成相关差异表达基因。差
异表达基因的筛选与分析有助于初步了解 No. 30
高纤维素和木质素含量产生的机制并能为相关基因
克隆提供重要基因序列信息。从 2 个样本 unigenes
库中共有 3 572 条差异表达 unigenes 被筛选出来,
2 655条被注释到 Nr 数据库,2 062 条被注释到
Swiss-Prot数据库(表 4)。
表 3 梁山慈竹 All-unigenes功能注释
Tab. 3 All-unigenes function annotation
of Dendrocalamus farinosus
注释的数据库
Annotated
database
注释数量
Annotated_
number
300≤长度
<1 000
300≤length
<1 000
长度≥
1 000
length≥
1 000
COG注释 COG annotation 13 730 3 701 9 082
GO注释 GO annotation 42 138 14 939 20 556
KEGG注释 KEGG annotation 8 624 2 513 5 030
Swiss-Prot注释 Swiss-Prot annotation 36 907 12 577 19 828
Nr注释 Nr annotation 49 688 18 694 21 956
全部注释 All annotated 49 829 18 765 21 963
表 4 注释的差异基因数目统计
Tab. 4 Summary of differential expression gene annotated
类型 Type
Nr注释
Nr annotation
Swiss-Prot注释
Swiss-Prot annotation
GO注释
GO annotation
KEGG注释
KEGG annotation
COG注释
COG annotation
CK与 No. 30 CK VS No. 30 2 655 2 062 2 213 385 757
2. 3. 2 差异表达基因的 COG 分析 COG 数据库
的目的是对基因产物进行直系同源分类。在 COG
分类体系中,757 条差异表达 unigenes 具有详细的
蛋白功能释义,共获得 1 086 个 COG 注释,涉及细
胞结构、信号转导、次生代谢等 25 个 COG 功能分
类。一般功能注释(General function prediction only)
代表最大的一类,所占比例为 25. 10%;其次复制、
重组、修复(Replication,recombination and repair)所
占比例为 17. 17%(图 1)。此外,该转录组还主要
涉及转录(Transcription)、信号转导机制(Signal
transduction mechanisms)、碳水化合物的运输和代谢
(Carbohydrate transport and metabolism)、氨基酸转
运和代谢(Amino acid transport and metabolism)等功
能定义。
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J.翻译,核糖体结构与生物合成;A. RNA 加工与修饰;K.转录;L. 复
制、重组与修复;B.染色质结构与变化;D.细胞周期调控与分裂,染
色质重排;Y.核酸结构;V. 防御机制;T. 信号转导机制;M. 细胞壁 /
膜生物发生;N.细胞运动;Z.细胞骨架;W.胞外结构;U.胞内分泌与
膜泡运输;O.蛋白质翻译后修饰与转运,分子伴侣;C.能量产生与转
化;G.碳水化合物运输与代谢;E.氨基酸运输与代谢;F.核苷酸运输
与代谢;H.辅酶运输与代谢;I.脂类运输与代谢;P.无机离子运输与
代谢;Q.次生产物合成,运输及代谢;R.一般功能基因;S.功能未知。
J. Translation,ribosomal structure and biogenesis;A. RNA processing and
modification;K. Transcription;L. Replication,recombination and repair;B.
Chromatin structure and dynamics;D. Cell cycle control,cell division,chro-
mosome partitioning;Y. Nuclear structure;V. Defense mechanisms;T. Sig-
nal transduction mechanisms;M. Cell wall /membrane /envelope biogenesis;
N. Cell motility;Z. Cytoskeleton;W. Extracellular structures;U. Intracellu-
lar trafficking,secretion,and vesicular transport;O. Posttranslational modi-
fication,protein turnover,chaperones;C. Energy production and conversion;
G. Carbohydrate transport and metabolism;E. Amino acid transport and me-
tabolism;F. Nucleotide transport and metabolism;H. Coenzyme transport
and metabolism;I. Lipid transport and metabolism;P. Inorganic ion trans-
port and metabolism;Q. Secondary metabolites biosynthesis,transport and
catabolism;R. General function prediction only;S. Function unknown.
图 1 差异表达基因的 COG功能分类
Fig.1 Differential expression gene COG function classification
2. 3. 3 差异表达基因的 GO 分析 为进一步了解
差异表达基因的功能,筛选得到序列注释到 GO 数
据库,有 2 213 条差异表达 unigenes 具有功能定义,
分别注释到细胞组分(Cellular component)、分子功
能 (Molecular function)、生 物 过 程 (Biological
process)3 个大的功能类别,而上述 3 大功能类别又
可以被划分为更详细的 62 个亚类,分别包含了 18,
18,26 个功能亚类(图 2)。在细胞组分功能类型
中,细胞(Cell)和细胞部分(Cell part)2 个功能亚类
所占比例最高;在分子功能类型中,结合(Binding)
和催化活性(Catalytic activity)2 个功能亚类所占比
例最高;在生物过程功能类型中,细胞过程(Cellular
process)和代谢过程(Metabolic process)所占比例
最高。
2. 3. 4 差异表达基因 KEGG Pathway 功能注释
基因间的相互作用对于生物体行使生物学功能有着
非常重要的作用,为了鉴定在代谢或者信号通路中
显著富集的基因,将差异表达基因映射到 KEGG 数
据库,得到 385 个功能定义,被注释到 94 条 KEGG
Pathways中。差异表达基因注释序列最多的10条
图 2 差异表达基因的 GO功能注释
Fig. 2 Differential expression gene GO function annotation
3 期 王身昌等:梁山慈竹高通量转录组测序及差异表达基因分析 69
代谢通路为:嘌呤代谢(Purine metabolism)、光合有
机体碳固定(Carbon fixation in photosynthetic organ-
isms)、半胱氨酸和甲硫氨酸代谢(Cysteine and me-
thionine metabolism)、苯丙烷类生物合成(Phenylpro-
panoid biosynthesis)等(表 5)。
表 5 差异表达基因 KEGG功能注释
Tab. 5 Differential expression genes KEGG function annotation
KEGG功能注释
KEGG function annotation
比例 /%
Percentage
嘌呤代谢 Purine metabolism 6. 04
植物激素信号转导 Plant hormone signal transduction 6. 04
半胱氨酸和甲硫氨酸代谢 Cysteine and methionine metabolism 5. 28
嘧啶代谢 Pyrimidine metabolism 5. 28
RNA 转运 RNA transport 5. 28
丙酮酸盐代谢 Pyruvate metabolism 4. 91
光合有机体碳固定 Carbon fixation in photosynthetic organisms 4. 53
α-亚麻酸代谢 alpha-Linolenic acid metabolism 4. 15
苯丙酸类生物合成 Phenylpropanoid biosynthesis 4. 15
核糖体生物合成 Ribosome biogenesis in eukaryotes 4. 15
其他 Others 50. 19
2. 3. 5 纤维素和木质素合成相关差异表达基因分
析 依据差异表达基因在 Swiss-Prot 蛋白数据库功
能释义,并根据 RPKM 值大小对纤维素和木质素生
物合成相关差异表达基因进行分析,结果表明,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,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(表 6)。
表 6 纤维素和木质素生物合成相关差异表达基因
Tab. 6 Differential expression gene related to cellulose and lignin biosynthesis
基因 ID
Gene ID
Swiss-Prot注释
Swiss-Prot annotation
调控
Regulation
T5_Unigene_BMK. 31801 纤维素合酶催化亚单元 7 上调
CL12625Contig1 纤维素合酶相似蛋白 D4 上调
CL6683Contig1 MYB4 转录因子 下调
T5_Unigene_BMK. 22656 MYB5 转录因子 上调
CL5717Contig1 4-香豆酸 CoA 连接酶 1 下调
CL4297Contig1 可能的 4-香豆酸 CoA 连接酶 5 下调
CL7332Contig1 可能的肉桂醇脱氢酶 5 下调
T4_Unigene_BMK. 38950 肉桂酰-CoA 还原酶 1 下调
CL11887Contig1 漆酶 14 下调
T6_Unigene_BMK. 40168 可能的漆酶 17 下调
CL26845Contig1 漆酶 12 /13 下调
T5_Unigene_BMK. 35965 过氧化物酶 1 上调
CL6246Contig1 过氧化物酶 3 上调
CL10805Contig1 泛素连接酶 E2 上调
T4_Unigene_BMK. 38729 泛素连接酶 E2 上调
T5_Unigene_BMK. 29211 小热休克蛋白,叶绿体 上调
CL12431Contig1 17. 5 17. 5kDaⅡ类热休克蛋白 上调
3 讨论
伴随着测序技术的发展,拟南芥[12]、水稻[13]、
毛竹[14]等基因组得到测序,但是由于价格昂贵,大
多数植物的基因组并不能得到测序。高通量测序技
术的出现对于挖掘基因以及加深非模式植物生长和
发育的理解提供了新方法。为尽可能完整获得梁山
慈竹转录组信息,本试验选用了包括梁山慈竹实生
植株及其体细胞突变体 No. 30、No. 66 在内的 3 份
梁山慈竹转录组样本进行了转录组测序。测序共获
得 17. 48 Gb数据量,reads数 86 575 631 条,de novo
组装后获得 84 741 条 unigenes,其中长度在 1 kb 以
上 unigenes有 23 111 条。这些结果表明,本研究所
采用的双端测序(paired-end)的方法,增加了测序深
70 华 北 农 学 报 31 卷
度,同时也提高了 de novo拼接的效率和准确性[15]。
梁山慈竹 All-unigenes以及差异表达基因在 Nr
以及 GO等数据库的注释信息,为基因组数据严重
匮乏的梁山慈竹开展功能基因组学研究提供了新的
思路和方法。KEGG 注释结果显示,差异表达基因
富集的通路主要有碳的固定、苯丙烷类生物合成等
生物化学途径,这些途径与纤维素和木质素生物合
成有紧密的联系。根据 Swiss-Prot 蛋白数据库功能
释义,从梁山慈竹体细胞突变体 No. 30 植株中发现
2 个具有差异表达的 MYB 转录因子,部分 MYB 类
转录因子通常结合到木质素合成基因启动子区域的
AC元件调控苯丙烷代谢途径[16]。有研究表明,
MYB4 对苯丙烷代谢途径表现出不同的调控效
应[17 - 18],本试验中梁山慈竹体细胞突变体 No. 30
中 MYB4 的下调表达对苯丙烷代谢途径的调控机
制需进一步研究。MYB5 则被认为主要参与到种皮
的发育过程[19]。在 4-香豆酸 CoA 连接酶、肉桂醇
脱氢酶和肉桂酰-CoA 还原酶等木质素生物合成相
关基因表达下调的同时,推测过氧化物酶上调表达
是其木质素含量升高的重要原因。纤维素合酶 7 在
纤维素合成过程中发挥重要作用[20],梁山慈竹体细
胞突变体 No. 30 中纤维素合酶 7 的上调表达推测是
其纤维素含量升高的重要原因。热休克蛋白以及泛
素连接酶在细胞伸长过程中能有效控制过氧化氢以
及活性氧的含量[21],这 2 种基因在突变体中表达量
的升高可能赋予其更好的纤维特性。以上相关蛋白
功能还有待进一步克隆验证。
植物组织培养是植物科学研究的一个重要手
段,广泛用于提高植物抗胁迫能力[22]、珍稀濒危物
种保护[23]、代谢产物产量提高[24]等多个方面。以
往对于体细胞变异的研究主要采用 RAPD、形态观
察、染色体计数等方法[25 - 27],但是对于基因在转录
水平上的变化一无所知;此外,竹子作为一种非木材
类造纸资源,其纤维素含量、纤维质量以及木质素含
量成为关注重点,RNA高通量测序技术在梁山慈竹
及其体细胞突变体 No. 30 上的应用以及纤维素、木
质素生物合成相关基因的筛选为竹类遗传改良研究
提供了珍贵的资源。
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