全 文 ：林业科学研究 ２０１６，２９（４）：５００ ５０７
ＦｏｒｅｓｔＲｅｓｅａｒｃｈ
文章编号：１００１１４９８（２０１６）０４０５０００８
蕨类植物芒萁幼孢子体转录组高通量测序
及特征分析
刘丽婷１，２，温 强２，黄小春２，刘琪瞡１
（１．北京林业大学 北京 １０００８３；２．江西省林业科学院省植物生物技术重点实验室 江西 南昌 ３３００１３）
收稿日期：２０１５１１２５
基金项目：国家林业局９４８项目（２１３４６２）；江西省重大财政专项青年人才培养计划（芒萁根系微生物环境与成片发育研究）。
作者简介：刘丽婷，博士研究生。主要从事森林生态与植物资源利用研究。Ｅｍａｉｌ：３９１９１３９３＠ｑｑ．ｃｏｍ
通讯作者：刘琪瞡
摘要：［目的］采用高通量测序技术ＩｌｕｍｉｎａＭｉＳｅｑ２５０获得蕨类植物芒萁的孢子体转录组数据，以期为芒萁的生长、
发育、代谢调控、微进化机制分析等提供重要的分子信息。［方法］应用生物信息学方法对测序获得的大量单基因
簇（Ｕｎｉｇｅｎｅ）进行基因功能注释、代谢途径及微卫星分析等。［结果］本研究共获得１８４６３２９６条序列读取片段
（ｒｅａｄｓ），总碱基数为４．６２Ｇｂｐ序列信息，经序列组装最终得到６３１６９个 Ｕｎｉｇｅｎｅ，平均单条 Ｕｎｉｇｅｎｅ长度为８６３ｂｐ，
Ｎ５０为１５８７ｂｐ，其中分布在２００ ５００ｂｐ长度区间Ｕｎｉｇｅｎｅ占总数的５５．４％。数据库中的序列同源性比较表明，
２６８２６个Ｕｎｉｇｅｎｅ与其他物种的已知基因具有不同程度的同源性。芒萁转录组中的Ｕｎｉｇｅｎｅ根据ＧＯ功能大致可分
为细胞组成、分子功能和生物学过程３大类４７个分支，其中有大量的Ｕｎｉｇｅｎｅ与细胞进程、绑定活性、代谢过程和催
化活性相关。将Ｕｎｉｇｅｎｅ与ＣＯＧ数据库进行比对，根据其功能大致可分为２６类。以ＫＥＧＧ数据库作为参考，依据
代谢途径可将Ｕｎｉｇｅｎｅ定位到２５７个代谢途径分支。此外，利用 ＭＩＳＡ软件检索２ ６碱基微卫星，共找到１３２８６
个ＳＳＲ。在不同长度微卫星中，三核苷重复数量最多，占总数的４０．４１％。在各重复基序类型中出现频率最高的为
ＡＧ／ＣＴ（１４．４５％）与ＡＡＧ／ＣＴＴ（１２．３９％）。利用重复基序开发的多态性 ＳＳＲ标记，可应用于芒萁不同个体的基因
型分型鉴定。［结论］本研究获得了较高质量的芒萁转录组数据库，揭示了芒萁孢子体生长发育过程中表达基因的
功能总体特征，可为芒萁进一步的功能基因挖掘和分子标记规模化开发奠定基础。
关键词：芒萁；转录组；功能注释；微卫星
中图分类号：Ｓ７１８４６ 文献标识码：Ａ
ＤｅｎｏｖｏＳｅｑｕｅｎｃｉｎｇａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＪｕｖｅｎｉｌｅＳｐｏｒｏｐｈｙｔｅ
ＴｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｅｏｆａＦｅｒｎ，Ｄｉｃｒａｎｏｐｔｅｒｉｓｄｉｃｈｏｔｏｍａ
ＬＩＵＬｉｔｉｎｇ１，２，ＷＥＮＱｉａｎｇ２，ＨＵＡＮＧＸｉａｏｃｈｕｎ２，ＬＩＵＱｉｊｉｎｇ１
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉａｎｇｘｉＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＢｉｏｔｅｃｈＫｅｙＬａｂｆｏｒＰｌａｎｔ，
ＪｉａｎｇｘｉＡｃａｄｅｍｙｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００３２，Ｊｉａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：［Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ］ＴｈｅｓｐｏｒｏｐｈｙｔｅｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｅｏｆＤｉｃｒａｎｏｐｔｅｒｉｓｄｉｃｈｏｔｏｍａｗａｓｓｅｑｕｅｎｃｅｄｂｙＩｌｕｍｉｎａＭｉＳｅｑ
２５０ｔｏｐｒｏｖｉｄｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｉｔｓｇｒｏｗｔｈ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ，ａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙｍｅｃｈａ
ｎｉｓｍ．［Ｍｅｔｈｏｄ］Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌａｎｎｏｔａｔｉｏｎｓ，ｍｅｔａｂｏｌｉｃｐａｔｈｗａｙｓａｎｄｍｉｃｒｏｓａｔｅｌｉｔｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｍｅＵｎｉｇｅｎｅｓｗｅｒｅ
ｃｏｎｄｕｃｔｅｄｕｓｉｎｇｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓｍｅｔｈｏｄｓ．［Ｒｅｓｕｌｔ］Ａｔｏｔａｌｏｆ１８４６３２９６ｒｅａｄｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ４．６２Ｇｂｐｏｆｓｅｑｕｅｎｃｅｉｎ
ｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ．Ａｔｏｔａｌｏｆ６３１６９ｕｎｉｇｅｎｅｓｗｅｒｅｆｏｒｍｅｄｂｙｉｎｉｔｉａｌｓｅｑｕｅｎｃｅｓｐｌｉｃｉｎｇ，ｗｉｔｈａｎａｖｅｒａｇｅｒｅａｄ
ｌｅｎｇｔｈｏｆ８６３ｂｐａｎｄＮ５０ｖａｌｕｅｏｆ１５８７ｂｐ．２６８２６ｕｎｉｇｅｎｅｓｗｅｒｅａｎｎｏｔａｔｅｄｕｓｉｎｇＢＬＡＳＴＸｓｅａｒｃｈｅｓａｇａｉｎｓｔｔｈｅ
Ｎｒ，ＮｔａｎｄＳｗｉｓｓＰｒｏｔｄａｔａｂａｓｅｓ．ＴｈｅｕｎｉｇｅｎｅｓｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｅｏｆＤ．ｄｉｃｈｏｔｏｍａｗｅｒｅｒｏｕｇｈｌｙｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｃｅｌｕ
ｌａｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｍｏｌｅｃｕｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓｃａｔｅｇｏｒｉｅｓｏｆ４７ｂｒａｎｃｈｅｓｂｙｇｅｎｅｏｎｔｏｌｏｇｙ，ｏｆｗｈｉｃｈｒｅ
第４期 刘丽婷，等：蕨类植物芒萁幼孢子体转录组高通量测序及特征分析
ｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｅｌｕｌａｒｐｒｏｃｅｓｓｃｅｌ，ｂｉｎｄｉｎｇ，ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｃａｔａｌｙｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒａｎｎｏｔａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎ
ＣＯＧｃａｔｅｇｏｒｙ，Ｕｎｉｇｅｎｅｓｃｏｕｌｄｂｅｇｒｏｕｐｅｄｉｎｔｏ２６ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ．ＫＥＧＧｐａｔｈｗａｙａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＵｎｉ
ｇｅｎｅｓｃｏｕｌｄｂｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏ２７６ｃｌａｓｓｅｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｒｍｅｔａｂｏｌｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，１３２８６ＳＳＲｓ（ｓｉｍｐｌｅｓｅ
ｑｕｅｎｃｅｒｅｐｅａｔｓ）ｗｅｒｅｍｉｎｅｄｗｉｔｈｒｅｐｅａｔｍｏｔｉｆｏｆ２ｔｏ６ｂｐｂｙＭＩＳＡ．Ｔｈｅｔｒｉｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｒｅｐｅａｔｓｗｅｒｅｍｏｓｔｄｏｍｉｎａｎｔ，
ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇｆｏｒａｔｏｔａｌｏｆ４０．４１％．ＡＧ／ＣＴ（１４．４５％）ａｎｄＡＡＧ／ＣＴＴ（１２．３９％）ｗｅｒｅｔｈｅｍｏｓｔｃｏｍｍｏｎｒｅｐｅａｔｍｏ
ｔｉｆｓ．ＰｏｌｙｍｏｒｐｈｉｃＳＳＲｍａｒｋｅｒｓｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｒｏｍｒｅｐｅａｔｍｏｔｉｆｓ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｆｏｒｇｅｎｏｔｙｐｉｎｇｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｉｎ
ｄｉｖｉｄｕａｌｓｏｆＤ．ｄｉｃｈｏｔｏｍａ．［Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ］Ａｈｉｇｈｅｒｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｅｄａｔａｂａｓｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，
ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｒｅｖｅａｌｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｅｎｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇｒｏｗｔｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｎｄｌａｙｔｈｅ
ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｇｅｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎｍｉｎｉｎｇａｎｄｔｈｅｌａｒｇｅｓｃａｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｏｌｅｃｕｌａｒｍａｒｋｅｒｓｏｆＤ．ｄｉｃｈｏｔｏｍａ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｃｒａｎｏｐｔｅｒｉｓｄｉｃｈｏｔｏｍａ；ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｏｍｅ；ｇｅｎｅａｎｎｏｔａｔｉｏｎ；ｓｉｍｐｌｅｓｅｑｕｅｎｃｅｒｅｐｅａｔ
芒萁（Ｄｉｃｒａｎｏｐｔｅｒｉｓｄｉｃｈｏｔｏｍａ（Ｔｈｕｎｂ．）Ｂｅｒｎｈ．）
属水龙骨目（Ｐｏｌｙｐｏｄｉａｌｅｓ）里白科（Ｇｌｅｉｃｈｅｎｉａｃｅａｅ）
芒萁属（Ｄｉｃｒａｎｏｐｔｅｒｉｓ），是典型酸性土壤指示植物，
也是亚热带丘陵山区马尾松（Ｐｉｎｕｓｍａｓｏｎｉａｎａ
Ｌａｍｂ．）、杉木 （Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍｉａｌａｎｃｅｏｌａｔ（Ｌａｍｂ．）
Ｈｏｏｋ．）暖性针叶林、疏灌草丛等次生植被的“识别
种”及“标志种”［１］。芒萁除孢子繁殖外兼营克隆繁
殖［２］，其孢子体（２ｎ＝７８）［３］匍匐根茎发达，在林冠
下层易形成稳定的片层结构［４］。作为丘陵红壤林区
立地破坏后最先侵入的下层植被种类之一［５］，芒萁
具有重要的水土保持与植被恢复作用［６－７］。此外，
芒萁孢子体对砷（Ａｓ）［８］、铅（Ｐｂ）［９］、稀土［１０－１１］等重
金属有较强的吸收富集作用，是典型的金属型植物
（ｍｅｔａｌｏｐｈｙｔｅｓ）［１２－１３］，已成为矿区废弃地植被重建
的先锋植物。研究芒萁在困难立地种群扩散过程及
对逆境应答机制，对于发挥其生态价值具有重要的
现实意义。
、近年来，新一代高通量转录组测序被广泛应用
于非模式植物［１４－１５］，可以高通量地测定 ｃＤＮＡ序
列，揭示特定细胞或组织中表达的全部基因或表达
序列标签（Ｅｘｐｒｅｓｓｅｄｓｅｑｕｅｎｃｅｔａｇ，ＥＳＴ），获得大量
ＳＳＲ等遗传标记等。该技术已成为揭示植物优良特
性及研究其环境互作等复杂分子机制的重要手段。
蕨类植物由于拥有特殊的系统进化位置及独特的生
活史，是研究陆生植物系统演化的代表性物种［１６］。
然而蕨类植物与种子植物相比具更复杂的染色体组
成及较大的基因组［１７－１８］，使得该类植物遗传信息资
源非常有限，局限了其分子生物学研究［１９］。早期有
报道开展诸如江南卷柏（Ｓｅｌａｇｉｎｅｌａｍｏｅｌｅｎｄｏｒｆｉ
Ｈｅｒｂ．）［２０］、铁 线 蕨 （Ａｄｉａｎｔｕｍ ｃａｐｉｌｕｓｖｅｎｅｒｉｓ
Ｌｉｎｎ．）［２１］等的转录组文库构建研究；而基于高通量
测序的转录组学研究较少，仅见蕨（Ｐｔｅｒｉｄｉｕｍａｑｕｉｌｉ
ｎｕｍ（Ｌｉｎｎ．）Ｋｕｈｎ．）［２２］、水蕨（Ｃｅｒａｔｏｐｔｅｒｉｓｒｉｃｈａｒｄｉ
Ｌｉｎｎ．）［２３］、鸟巢蕨（ＡｓｐｌｅｎｉｕｍｎｉｄｕｓＬｉｎｎ．）［２４］及海
金沙（Ｌｙｇｏｄｉｕｍｊａｐｏｎｉｃｕｍ（Ｔｈｕｎｂ．）Ｓｗ．）［１９］有研
究报道。
目前有关芒萁的转录组学研究未见报道，该物
种分子标记开发及抗逆机理等相关研究相对滞后。
本研究旨在应用ＩｌｕｍｉｎａＭｉｓｅｑ２５０高通量测序技术
开展芒萁孢子体转录组学研究，采用生物信息学等
方法对获得的大量 Ｕｎｉｇｅｎｅ进行基因功能注释、代
谢途径分析等，从功能基因组水平上分析芒萁孢子
体生长发育过程中重要基因的表达水平，为进一步
功能基因挖掘和分子标记开发奠定基础。
１ 方法
１．１ 试验材料
采集当年新萌的芒萁孢子体幼叶，经液氮速冻
后于－７０℃储存备用于 ＲＮＡ提取。用于检测 ＳＳＲ
标记多态性的芒萁群体样本来自江西泰和县千烟洲
（１１５°０．５２７′Ｅ，２５°２２．４４５′Ｎ），参考改进的 ＣＴＡＢ
高盐法［２５］提取基因组总ＤＮＡ。
１．２ 转录组测序与序列组装
ＲＮＡ提取试剂盒（ＴＩＡＮＧＥＮ）提取总 ＲＮＡ。采
用带有Ｏｌｉｇｏ（ｄＴ）的磁珠富集ｍＲＮＡ，并将其随机打
断成短片段作为模板，六碱基随机引物合成一链
ｃＤＮＡ，随后在 ＤＮＡｐｏｌｙｍｅｒａｓｅⅠ作用下合成二链
ｃＤＮＡ。双链ｃＤＮＡ经纯化、加 ｐｏｌｙ（Ａ）及连接测序
接头后进行ＰＣＲ扩增，得到测序用 ｃＤＮＡ文库。采
用 ＩｌｕｍｉｎａＭｉＳｅｑ测序平台，利用双末端测序
（Ｐａｉｒｅｄｅｎｄ，ＰＥ）的方法，ＰＥ２５０的测序策略进行高
通量测序。测序得到的原始序列去除其中的接头及
低质量序列，经Ｔｒｉｎｉｔｙ软件拼接组装成一个转录组，
同时取每条基因中最长的转录本（Ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｓ）作为
１０５
林 业 科 学 研 究 第２９卷
单基因簇（Ｕｎｉｇｅｎｅ）［２６］。
１．３ Ｕｎｉｇｅｎｅ功能注释、ＧＯ分类和代谢通路分析
将拼接得到的 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列与 ＮＲ（ＮＣＢＩｎｏｎ
ｒｅｄｕｎｄａｎｔｐｒｏｔｅｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ），ＮＴ（ＮＣＢＩｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓｅ
ｑｕｅｎｃｅｓ），ＳｗｉｓｓＰｒｏｔ（ＳｗｉｓｓＰｒｏｔｐｒｏｔｅｉｎｄａｔａｂａｓｅ），ＣＯＧ
（Ｃｌｕｓｔｅｒｏｆｏｒｔｈｏｌｏｇｏｕｓｇｒｏｕｐｓ）数据库进行ＢＬＡＳＴ比
对获得注释（其中 ＮＲ、ＮＴ、ＳｗｉｓｓＰｒｏｔ数据库比对 Ｅ
值≤１ｅ５，ＣＯＧ比对Ｅ值≤１ｅ３）；通过 ＨＭＭＥＲ３程
序，搜索已建好的蛋白结构域的 ＨＭＭ模型，对 Ｕｎｉ
ｇｅｎｅ进行蛋白家族（Ｐｒｏｔｅｉｎｆａｍｉｌｙ，Ｐｆａｍ）注释；另据
ＮＲ和Ｐｆａｍ两部分蛋白注释结果，使用 Ｂｌａｓｔ２ＧＯ软
件得到 Ｕｎｉｇｅｎｅ的 ＧＯ（ＧｅｎｅＯｎｔｏｌｏｇｙ）条目，并用
ＷＥＧＯ软件对所有的 Ｕｎｉｇｅｎｅ进行 ＧＯ功能分类统
计，最后进行ＫＥＧＧ（Ｋｙｏｔｏｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａｏｆｇｅｎｅｓａｎｄ
ｇｅｎｏｍｅｓ）数据库代谢路径 ＫＯ（ＫＥＧＧＯＲＴＨＯＬＯＧ）
注释分析。若前述各数据库之间的比对结果有出
入，则按 ＮＲ、ＳｗｉｓｓＰｒｏｔ的优先级确定 Ｕｎｉｇｅｎｅ的序
列方向，比对不上的 Ｕｎｉｇｅｎｅｓ则用软件 ＥＳＴＳｃａｎ预
测其编码区并确定序列方向。
１．４ 微卫星分析与ＳＳＲ标记应用
ＭＩＳＡ软件检索 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列中的简单重复序
列（Ｓｉｍｐｌｅｓｅｑｕｅｎｃｅｒｅｐｅａｔｓ，ＳＳＲ）。检索标准：单、
二、三、四、五、六核苷酸基序（ｍｏｔｉｆ）至少重复次数
分别为１０、６、４、３、３、３，包括精确型（ｐｅｒｆｅｃｔ）及复合
型（ｃｏｍｐｏｕｎｄ）重复基序（ｍｏｔｉｆ）［２７］，进而对微卫星
基序开展统计分析。
随机选择微卫星重复基序长度大于等于１８ｂｐ
的Ｕｎｉｇｅｎｅ序列，利用ＰＲＩＭＥＲ３．０软件进行 ＳＳＲ引
物批量设计。本试验随机合成引物２０对，编号 Ｄｄ＿
ｅＳＳＲ１２０。经优化确定芒萁孢子体 ＳＳＲ标记体系：
１０μＬ中含１０×ＰＣＲ缓冲液１μＬ，Ｍｇ２＋２．５ｍｍｏｌ·
Ｌ－１，ｄＮＴＰｓ２００μｍｏｌ·Ｌ－１，上下游引物各０．２μｍｏｌ
·Ｌ－１，Ｔａｑ聚合酶０．５Ｕ，ＤＮＡ３０ｎｇ左右。ＰＣＲ反应
程序：９４℃预变性３ｍｉｎ；９４℃３０ｓ，５５℃３０ｓ，７２℃３０
ｓ，３０个循环；最后７２℃延伸１ｍｉｎ，８℃保存。供试
样本ＰＣＲ产物采用８％聚丙烯酰胺凝胶，在 ＤＹＣＺ
３２型垂直电泳槽（北京六一）中进行电泳分离，
５０ｂｐＭａｒｋｅｒ作为标准分子量。银染检测电泳结果，
同位点条带从大到小顺序以 Ａ、Ｂ、Ｃ…编号，按照等
位基因型进行判读。
２ 结果与分析
２．１ 转录组测序产出与基因表达分析
测序获得序列经过滤得到总的片段数（ｃｌｅａｎ
ｒｅａｄｓ）为９２３１６４８条，总碱基数为２．３１Ｇｂｐ，ＧＣ含
量平均值为４７．７６％。序列质量评估，碱基 Ｑ２０为
９８．２４％，Ｑ３０为９７．５５％。原始数据经 Ｔｒｉｎｉｔｙ拼接
后，共获得 １１００５１个转录本，最短转录本长度为
２０１ｂｐ，平均单条转录本长度为 １２３８ｂｐ，Ｎ５０为
２１８２ｂｐ。转录本经取舍获得６３１６９条 Ｕｎｉｇｅｎｅ序
列，最短Ｕｎｉｇｅｎｅ长度与转录本一致，平均单条 Ｕｎｉ
ｇｅｎｅ长度为８６３ｂｐ，Ｎ５０为１５８７ｂｐ。Ｕｎｉｇｅｎｅ序列
在２００ ５００ｂｐ长度区间的数量占总数的５５．４％
（３４９８２），组装效果符合 ＰＥ２５０测序特点。利用
Ｂｌａｓｔ搜索预测了 ２３０６４个 ＣＤＳ，其 中 ８１．３％
（１８７４０）的序列长度大于 ３００ｎｔ，而长度大于
１０００ｎｔ序列占 ３６．０％（８３０１）；其他未能用
Ｂｌａｓｔ比对上的 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列采用 ＥＳＴＳｃａｎ预测了
３７７７８个 ＣＤＳ，其中４０．５％（１５３０８）的序列长度
大于３００ｎｔ。数据总体表明测序质量符合后续分
析要求。
采用 ＦＰＫＭ（ｅｘｐｅｃｔｅｄｎｕｍｂｅｒｏｆＦｒａｇｍｅｎｔｓＰｅｒ
ＫｉｌｏｂａｓｅｏｆｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｓｅｑｕｅｎｃｅｐｅｒＭｉｌｉｏｎｓｂａｓｅｐａｉｒｓ
ｓｅｑｕｅｎｃｅｄ）算法［２８］估算芒萁 Ｕｎｉｇｅｎｅ的表达水平。
该算法可消除基因长度差异和测序深度对基因表达
水平估计的影响。芒萁 Ｕｎｉｇｅｎｅ的 ＲＰＫＭ平均值为
１７．４２，最大值为３１２３１．０４；２３０条Ｕｎｉｇｅｎｅ的ＦＰＫＭ
值大于５００，其中有１４２条 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列在后续 ＮＲ
数据库中得到功能注释。各基因的ＦＰＫＭ表达量值
集中在３．１６ ３６．１２，显示本次测序低水平表达基
因检测数量较多。
２．２ 序列功能注释与功能分类
２．２．１ 功能注释序列比较 将 Ｕｎｉｇｅｎｅｓ序列与
Ｎｒ，Ｎｔ，ＳｗｉｓｓＰｒｏｔ，Ｐｆａｍ，ＧＯ，ＣＯＧ，ＫＥＧＧ数据库做比
较，获得 Ｕｎｉｇｅｎｅｓ的注释信息。统计最终获得注释
信息的 Ｕｎｉｇｅｎｅｓ序列共有 ２６８２６条，注释率为
４２．４６％，在各数据库中获得注释序列数量见表 １。
经ＮＲ数据库比对，芒萁孢子体 Ｕｎｉｇｅｎｅｓ序列与苔
藓植物小立碗藓（Ｐｈｙｓｃｏｍｉｔｒｅｌａｐａｔｅｎｓ（Ｈｅｄｗ．）
Ｂｒｕｃｈ＆Ｓｃｈｉｍｐ．）及同为蕨类植物的江南卷柏的
Ｕｎｉｇｅｎｅｓ序列匹配相似数量最多，各占被注释总序
列的１８．５％与１８．４％，此外依次与北美云杉（Ｐｉｃｅａ
ｓｉｔｃｈｅｎｓｉｓ（Ｂｏｎｇ．）Ｃａｒ．）（１７．０％）、葡萄（Ｖｉｔｉｓｖｉｎｉｆ
ｅｒａＬｉｎｎ．）（１０．５％）及大豆（Ｇｌｙｃｉｎｅｍａｘ（Ｌｉｎｎ．）
Ｍｅｒ．）（３．８％）也能匹配到一定数量的相似序列。
同时由于缺乏芒萁基因组信息，尚存一定数量 Ｕｎｉ
ｇｅｎｅｓ序列未能获得匹配。
２０５
第４期 刘丽婷，等：蕨类植物芒萁幼孢子体转录组高通量测序及特征分析
表１ Ｕｎｉｇｅｎｅ序列在各数据库的功能注释情况
数据库类型
被注释Ｕｎｉｇｅｎｅ
数量
占总数量的
百分比／％
ＮＲ ２２８９７ ３６．２４
ＮＴ ３４２７ ５．４２
ＫＯ ６２４０ ９．８７
ＳｗｉｓｓＰｒｏｔ １８０１６ ２８．５２
ＰＦＡＭ １８６８５ ２９．５３
ＧＯ １９８５５ ３１．４３
ＣＯＧ ８９０７ １４．１
在７个数据库中均有注释数量 １４８４ ２．３４
总的被注释Ｕｎｉｇｅｎｅ数量 ２６８２６ ４２．４６
２．２．２ ＧＯ数据库注释分类 本研究结合 ＧＯ数据
库，从宏观上对芒萁的 Ｕｎｉｇｅｎｅ进行功能分类，以了
解其孢子体生长发育过程中表达基因的功能分布总
体特征。１９８５５个Ｕｎｉｇｅｎｅｓ可分成３个基本的功能
本体，并区划成４７个组别（图１）。其中执行生物学
过程功能Ｕｎｉｇｅｎｅｓ最多有５２２４２条，执行细胞组成
有３６０３２条 Ｕｎｉｇｅｎｅｓ，涉及分子功能的 Ｕｎｉｇｅｎｅｓ有
２４７７０条。从各功能区划来看，各功能本体中 Ｕｎｉ
ｇｅｎｅｓ数量功能区划规律基本与鸟巢蕨孢子体发育
进程的基因表达谱［２４］一致。其中测得的芒萁孢子
体Ｕｎｉｇｅｎｅｓ涉及较多的几个功能组为细胞过程
（１１９４５条）、代谢过程（１１０４４条）、细胞（７１９６
条）、细胞要素（７１５９条）、绑定（１１５３８条）及催化
活性（９４５７条）等。
植物重金属硫结合蛋白（ＭＴ）关乎植物体重金
属离子维持与毒害解除及调节运输等［２９］，作为典型
的金属型植物，本研究重点关注了芒萁 ＭＴ蛋白相
关序列注释情况。本研究中共获得２３个 ＧＯ功能
注释跟重金属结合蛋白密切相关的 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列，
其功能预测显示主要集中为铜、锌、镉等结合蛋白。
在这２３条有功能注释的Ｕｎｉｇｅｎｅ序列中ＦＰＫＭ值大
于５００的有２条：ｃｏｍｐ２８８９１＿ｃ０（ＧＯ：００４６８７２／／ＧＯ：
０００３９５０）、ｃｏｍｐ９８３４＿ｃ０（ＧＯ：０００８２７０／／ＧＯ：
００４６８７２），其中 ｃｏｍｐ９８３４＿ｃ０序列 ＦＰＫＭ值最大为
６４２４．２９，ＧＯ功能预测为锌结合蛋白，来自植物
ＰＥＣ金属硫蛋白家族。
１．生物附着；２．生物调节；３．细胞杀伤；４．细胞组成或生物合成；５．细胞过程；６．发育过程；７．定位活性；８．生长；９．免疫系统；
１０．定位；１１．运动；１２．代谢过程；１３．多细胞进程；１４．多个有机体过程；１５．负调节；１６．正调控；１７．生物调节；１８．繁殖；１９．繁殖过
程；２０．应激反应；２１．信号传导；２２．单一有机体过程；２３．细胞；２４．细胞要素；２５．细胞外基质；２６．细胞外基质要素；２７．胞外区；
２８．胞外区要素；２９．大分子复合物；３０．膜；３１．膜封闭腔；３２．膜要素；３３．细胞器；３４．细胞器要素；３５．病毒体；３６．病毒体要素；３７．抗
氧化活性；３８．绑定；３９．催化活性；４０．通道调节活性；４１．酶调节活性；４２．分子转导活性；４３．核酸结合转录因子活性；４４．蛋白结合
转录因子活性；４５．受体活性；４６．结构分子活性；４７．转运活性。
图１ ＧＯ注释分类图
２．２．３ ＣＯＧ数据库注释分析 将芒萁 Ｕｎｉｇｅｎｅ与
ＣＯＧ蛋白质直系同源数据库进行比对，预测Ｕｎｉｇｅｎｅ
的功能并进行分类统计。研究结果见图２，数据显
示芒萁Ｕｎｉｇｅｎｅ所涉及的 ＣＯＧ功能类别较为全面，
可将１００３５个Ｕｎｉｇｅｎｅ根据其功能大致分为２６类。
对每一类的 Ｕｎｉｇｅｎｅ进行统计分析显示，仅一般功
能预测类基因最多（１７６３条），其次是翻译后修饰，
蛋白折叠和分子伴侣类基因（１１９５条）、信号传导
机制类基因（７３６条）和转录类基因（５３７条）；而胞
外结构类基因（２５条）和细胞运动类基因较少（９
３０５
林 业 科 学 研 究 第２９卷
条），另外还存在１条未知蛋白基因；其他类别的基
因表达丰度不尽相同。从总的 ＣＯＧ功能类别来看
本研究的 Ｕｎｉｇｅｎｅ基本涉及到芒萁大多数的生命
活动。
２．２．４ 生物学代谢 ＫＥＧＧ分析 据 ＫＥＧＧ数据库
的注释信息进一步将芒萁 Ｕｎｉｇｅｎｅ进行 ｐａｔｈｗａｙ注
释，其中６２４０条 Ｕｎｉｇｅｎｅ获得对应的 ＫＯ编号，这
些Ｕｎｉｇｅｎｅ参与或涉及相关代谢途径。５个代谢通
路大类中，主要包括碳水化合物代谢、翻译、信号转
导、蛋白折叠，分类和降解、脂类物质代谢、运输和代
谢等３２类代谢途径（图３）。３２类代谢途径下具体
又可分为２５７个代谢分支，各分支中Ｕｎｉｇｅｎｅ被注释
到数量相对较多的路径（表 ２）依次为碳代谢（２４８
条）、氨基酸生物合成（２１０条）、内质网中蛋白质加
工（１９２条）等。研究表明重金属污染区域的芒萁自
身可以通过控制光合活性来避免重金属离子对其光
合系统的影响［１１］，而碳代谢是植物光合作用的重要
内容，本研究中获得注释的 Ｕｎｉｇｅｎｅ数量可为今后
开展芒萁相关研究提供序列基础。
Ａ：ＲＮＡ的加工与修饰；Ｂ：染色体的结构域动力学；Ｃ：能
源产生与转化；Ｄ：细胞周期调控，细胞分裂，染色体分离 ；Ｅ：
氨基酸转运与代谢；Ｆ：核酸转运与代谢；Ｇ：碳水化合物转运
与代谢；Ｈ：辅酶转运与代谢；Ｉ：脂类转运与代谢；Ｊ：翻译，核
糖体结构和生物合成；Ｋ：转录；Ｌ：复制，重组和修饰；Ｍ：细胞
壁／细胞膜生物发生；Ｎ：细胞运动；Ｏ：翻译后修饰，蛋白折叠
和分子伴侣；Ｐ：无机离子转运与代谢；Ｑ：次生代谢物的生物
合成，转运和代谢；Ｒ：仅一般功能预测；Ｓ：未知功能；Ｔ：信号
传导机制；Ｕ：细胞内分泌和囊泡运输；Ｖ：防御机制；Ｗ：胞外
结构；Ｘ：未知蛋白；Ｙ：核结构；Ｚ：细胞骨架
图２ ＣＯＧ注释分类图
Ａ：有机系统：１．感觉系统；２．神经系统；３．免疫系统；４．排泄系统；５．适应环境；６．内分泌系
统；７．消化系统；８．发展９．循环系统；Ｂ：代谢：１．外来物质的降解和代谢；２．总代谢；３．核苷酸代
谢；４．萜类和酮类化合物；５．其他氨基酸代谢；６．代谢辅助因子和维生素；７．脂质代谢；８．糖链的
生物合成与代谢；９．能量代谢；１０．碳水化合物代谢；１１．其他次生代谢产物的生物合成；１２．氨
基酸代谢；Ｃ：遗传信息处理：１．翻译；２．转录；３．复制和修复；４．折叠，分类和降解；Ｄ：环境信息处
理代谢：１．信号分子的相互作用；２．信号转导；３．膜转运；Ｅ：细胞过程：１．运输和代谢；２．细胞运
动；３．细胞生长和死亡；４．细胞通讯。
图３ 芒萁Ｕｎｉｇｅｎｅ的ＫＥＧＧ分类
２．３ 微卫星信息分析及ＥＳＴＳＳＲ有效性
在被检索的６３１６９个 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列中，检测含
有微卫星重复基序的序列总数为１０１２０个，包含微
卫星总量为１３２８６个，其中复合型重复基序共１３３７
个，总的微卫星重复基序发生频率为０．２１，微卫星
序列平均跨度为４１００．９７ｂｐ。在被检索到的微卫
４０５
第４期 刘丽婷，等：蕨类植物芒萁幼孢子体转录组高通量测序及特征分析
表２ 注释Ｕｎｉｇｅｎｅ数量最多的１０个代谢通路
编号 代谢通路 基因数目
Ｋｏ０１２００ 碳代谢 ２４８
Ｋｏ０１２３０ 氨基酸生物合成 ２１０
Ｋｏ０４１４１ 内质网中的蛋白质加工 １９２
Ｋｏ０３０４０ 剪切体 １８７
Ｋｏ０３０１０ 核糖体 １７４
Ｋｏ０３０１３ ＲＮＡ转运 １６２
Ｋｏ０４０７５ 植物激素信号转导 １６１
Ｋｏ００５００ 淀粉和糖代谢 １５１
Ｋｏ０４６２６ 植物与病原菌互作 １４４
Ｋｏ００１９０ 氧化磷酸化 １４３
星基序中，单核苷酸到六核苷酸重复类型均存在。
各类型重复基序分布数量及比例见图４。在各重复
基序中，以二、三短重复基序为主导，其中三核苷酸
重复基序最多，占总数的４０．４１％，而长的重复基序
数量则相对较少，其中五核苷酸重复基序最少，仅占
总数的２．６７％。在所有检测到的 ２９０种重复基序
中，１ ６核苷酸重复基序中出现频率最高类型依次
为，Ａ／Ｔ（１０１３个，７．６２％），ＡＧ／ＣＴ（１９２０个，
１４．４５％），ＡＡＧ／ＣＴＴ（１６４６个，１２．３９％），ＡＡＡＣ／
ＧＴＴＴ（４６３个，３．４８％），ＡＡＡＡＣ／ＧＴＴＴＴ（２３个，
０．１７％），ＡＡＡＡＡＣ／ＧＴＴＴＴＴ（１０个，０．０８％），其中
ＡＧ／ＣＴ与ＡＡＧ／ＣＴＴ同时为所有被检测重复基序中
出现频率最高的两种。
注：括号内数值为对应重复基序的总值
图４ 芒萁微卫星重复基序分布比例图
利用来自江西泰和县千烟洲的芒萁群体２９个样本
检测随机开发的２０对 ＳＳＲ引物的扩增有效性与多
态性，并初步尝试利用标记组合对各供试样本进行
基因型分型鉴定。试验结果表明，共有１１对引物具
有良好的扩增，有效引物占５４．５５％，而其中有５对
引物在个体间存在多态性，多态引物信息见表 ３。
图 ５为 ＳＳＲ位点 ＤＤ＿ｅＳＳＲ０１、ＤＤ＿ｅＳＳＲ１４、ＤＤ＿
ｅＳＳＲ１７扩增电泳图，组合３个位点的扩增结果，可初
步判定 ２９个样本包含 ４种基因型 （分别为
ＢＢＢＢＢＢ、ＡＢＡＡＡＢ、ＡＢＢＢＢＢ及ＡＢＢＢＡＢ）。
表３ 多态性引物信息
位点 引物序列（５′ ３′） 重复基序 退火温度／℃ 扩增片段／ｂｐ
ＤＤ＿ｅＳＳＲ０１
Ｆ：ＴＣＧＴＣＣＣＣＴＴＴＡＣＡＴＴＡＧＣＣＡＣ
Ｒ：ＧＣＣＡＧＴＧＴＴＧＡＴＡＣＡＧＣＴＴＧＣ
（ＡＣ）９ ５６ ２８０
ＤＤ＿ｅＳＳＲ１０
Ｆ：ＴＣＴＧＴＣＡＧＧＣＴＴＣＧＡＡＣＧＡＧ
Ｒ：ＴＧＧＧＧＴＴＣＴＧＡＡＡＡＡＴＴＧＴＡＧＣＡ
（ＴＣ）９ ５５ ２７３
ＤＤ＿ｅＳＳＲ１４
Ｆ：ＣＣＡＣＴＧＧＣＡＣＡＴＴＧＴＴＣＡＣＡ
ＲＴＧＡＧＡＣＣＣＣＴＣＴＴＴＡＧＣＡＧＧＡ
（ＡＣ）９ ５５ １７０
ＤＤ＿ｅＳＳＲ１５
Ｆ：ＧＣＴＴＣＴＣＣＡＧＣＣＣＴＣＣＡＴＴＴ
Ｒ：ＣＣＴＧＴＧＣＴＴＧＧＡＴＴＧＧＣＡＡＣ
（ＧＡ）１０ ５５ ４５０
ＤＤ＿ｅＳＳＲ１７
Ｆ：ＣＧＡＧＧＧＴＴＣＧＧＡＴＴＴＣＣＣＡＡ
Ｒ：ＧＧＧＣＧＧＣＴＡＣＡＡＧＴＧＴＧＴＡＴ
（ＡＡＴＣ）４ ５８ １９１
３ 讨论
对于缺乏基因组信息的非模式物种而言，采用
转录组测序技术可获得大量的转录本信息，对解决
其基因进化、遗传育种以及生态等诸多方面的问题
具有重要意义［３０］。一般 Ｈｉｓｅｑ策略的 Ｉｌｕｍｉｎａ高通
量测序通量大，但通量的增加注定会以牺牲序列片
段长度为代价。由于非模式生物缺乏参考基因组信
息，因而测序读长越长，越有利于测序片段的后续
装配。这使得４５４技术（平均读长４００ｂｐ）在非模式
生物转录组研究中应用较为广泛，但该技术价格高
昂且通量不高。本研究采用 ＭｉＳｅｑ２５０策略开展芒
萁Ｉｌｕｍｉｎａ高通量测序，获得的６３１６９条Ｕｎｉｇｅｎｅ序
列，平均单条 Ｕｎｉｇｅｎｅ长度为 ８６３ｂｐ，Ｎ５０为 １５８７
ｂｐ，序列质量评估Ｑ３０达到９７．５５％，最短转录本长
度为２０１ｂｐ，而获得的 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列分布在 ２００
５００ｂｐ长度区间的占总数的５５．４％。与同类研究
相比［２２，２４］，本次测序在降低成本的前提下，既保证
５０５
林 业 科 学 研 究 第２９卷
注：图中左右两侧为５０ｂｐＭａｒｋｅｒ，自上而下依次对应为ＳＳＲ位点ＤＤ＿ｅＳＳＲ０１、ＤＤ＿ｅＳＳＲ１４、ＤＤ＿ｅＳＳＲ１７ＰＣＲ扩增电泳检测结果。
图５ 芒萁群体ＰＣＲ扩增电泳图
了测序的通量，又兼顾了单序列的长度与质量。
将芒萁Ｕｎｉｇｅｎｅ序列与ＮＲ等７个数据库比对，
共有２６８２６条获得注释，仅占总数的４２．４６％。由
于蕨类植物基因组学及转录组学研究尚处起步阶
段，部分序列暂时无法获得相应的功能注释。有研
究认为在目前转录组研究中，表达量很低的基因在
ＥＳＴ数据库中很难找到，而表达量较高的数据过量
存在［３１］。本研究中芒萁Ｕｎｉｇｅｎｅ的ＦＰＫＭ表达量值
集中在３．１６ ３６．１２，显示本次测序检测到的低表
达水平基因的比例较高，可能原因在于研究对象的
差异性。经ＮＲ数据库比对，芒萁与江南卷柏及苔
藓植物小立碗藓的 Ｕｎｉｇｅｎｅ序列有较高的匹配，其
中三者比较，芒萁与小立碗藓匹配率更高。Ｄｅｒ
等［２２］采用相似方法比较蕨、江南卷柏及小立碗藓的
Ｕｎｉｇｅｎｅｓ，显示蕨与小立碗藓具更多的相似性，推断
原因可能在于与江南卷柏的异型孢子不同，蕨与小
立碗藓同属同型孢子世代，三者生活史的差异影响
了基因的进化。芒萁与蕨同为真蕨植物具有相似的
生活史，结果的一致性进一步验证了前人的推测。
同时，笔者注意到与本研究材料来源于孢子体不同，
Ｄｅｒ的研究为世界第一个配子体转录组，初步分析
蕨类植物不同世代功能基因表达存在一定的共性
问题。
开发用于基因分型的 ＳＳＲ分子标记，可作为研
究芒萁克隆生活史性状及对环境条件的响应机制的
重要工具。本研究检索了芒萁Ｕｎｉｇｅｎｅｓ序列中的微
卫星重复基序，显示重复基序进化趋向于较短的序
列，诸如三核苷酸重复基序是该物种的主要微卫星
基序，而五核苷酸重复基序最少。在不同类型核苷
酸重复基序中出现频率最高类型为ＡＧ／ＣＴ与ＡＡＧ／
ＣＴＴ，这与同为蕨类植物的鸟巢蕨［２４］相比有些不同，
后者二核苷酸重复基序最多类型与前者一致，但三
核苷酸重复基序以 ＡＧＧ／ＣＣＴ为主；芒萁的这一微
卫星分布规律与大青杨（ＰｏｐｕｌｕｓｃａｔｈａｙａｎａＲｅｈｄ．）、
油茶（ＣａｍｅｌｉａｏｌｅｉｆｅｒａＡｂｅｌ．）等［３２－３３］种子植物一
致。随机开发２０对ＳＳＲ引物，有效引物占５４．５５％，
其中有５对引物在芒萁群体检测存在多态性，表明
引物开发效率较高。
４ 结论
本研究应用 Ｉｌｕｍｉｎａ高通量测序技术采用
ＭｉＳｅｑ２５０的策略开展芒萁孢子体转录组测序。通
过生物信息学方法对测序获得的大量 Ｕｎｉｇｅｎｅ进行
基因功能注释分类、代谢途径及微卫星特征等分析，
从而初步揭示了芒萁孢子体生长发育过程中表达基
因的功能总体特征。可为进一步开展芒萁生长、发
育、代谢调控、微进化机制分析等研究提供重要的分
子信息。此外作为世界蕨类植物基因组序列的重要
补充，也可为其他蕨类植物功能基因挖掘及 ＳＳＲ标
记的规模化开发提供丰富的基础数据。
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（责任编辑：彭南轩）
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