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Functional genomics studies of Salvia miltiorrhiza Ⅱ——gene expression profiling of different stage of hairy root

丹参功能基因组学研究Ⅱ——丹参毛状根不同时期基因表达谱分析



全 文 :·研究论文·
丹参功能基因组学研究Ⅱ
———丹参毛状根不同时期基因表达谱分析
崔光红1,黄璐琦1,邱德有2,袁 媛1,付桂芳1
(1中国中医科学院 中药研究所,北京 100700;2中国林业科学院 林业研究所,北京 100091)
[摘要] 目的:研究丹参毛状根不同时期的基因表达谱,发掘丹参功能基因。方法:通过比较不同时期丹参毛
状根的生长量和次生代谢产物含量确定用于 cDNA芯片杂交的材料。采用间接标记法进行探针标记后进行杂交
反应,GenePixPro40软件对芯片图像进行分析,数据用 Lowess方法进行归一化处理。采用两倍差异标准结合 T
检验来确定差异表达基因。Northern点杂交检验4个基因与芯片杂交结果的一致性。差异基因单向测序后经过
gap4软件拼接聚类,然后利用BLASTX,BLASTN进行比对分析,利用GeneOntology和 KEGG进一步预测基因的功
能。结果:30~45d为丹参毛状根的快速增殖期,45~60d为丹参次生代谢产物的快速积累期。将45,60d丹参毛
状根分别与30d材料进行杂交,得到203个差异基因。4个基因 Northern点杂交的结果与芯片杂交结果一致。测
序后得到172条EST,拼接聚类后形成114个Unigene,其中功能已知基因62个,功能未定的假想蛋白34个,相似
性较低的未鉴定基因9个,无显著相似性的基因9个。“GO”分类中67个基因得到注释,KEGG分析中74个基因得
到注释,26个有详细的代谢途径分析。结论:得到一系列次生代谢相关基因如细胞色素 P450、二萜合酶等基因片
段,为深入开展丹参功能基因组学研究提供了基础。
[关键词] 丹参;毛状根;基因表达谱;cDNA芯片
[中图分类号]S567 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2007)13126706
[收稿日期] 20061219
[基金项目] 国家重点基础研究发展计划(2006CB504700);国
家高科技研究发展计划(2003AA2Z2040)
[通讯作者] 黄璐琦,Tel:(010)640144112955
  随着植物功能基因组研究的广泛与深入,独具
特色又有广阔应用前景的药用植物次生代谢合成相
关功能基因的研究逐渐成为研究的热点[1]。丹参
SalviamiltiorhizaBge疗效明确,化学成分研究较
为深入,含有类异戊二烯和苯丙烷类两大代谢途
径[2,3],但仅有3羟基3甲基戊二酰辅酶 A还原酶
(HMGR)和4香豆酸辅酶A连接酶(4CL)等少量参
与次生代谢的基因得到克隆[4]。因此,大规模寻找
次生代谢关键酶基因是丹参分子生物学研究的重要
内容。本研究以不同时期丹参毛状根为研究材料,
探索已构建丹参cDNA芯片[5]在其功能基因组学研
究中的可行性,为中药材功能基因组研究提供一套
完整、快捷的研究思路和途径。
1 材料与方法
11 材料 丹参毛状根为发根农杆菌15834直接
感染的方式进行Ri质粒转化诱导的毛状根,由邱德
有研究员提供[6]。取生长良好的丹参毛状根(各
01g)继代培养于6,7V固体培养基上,置于25℃
培养箱中暗培养,分别于30,45,60d收获,称重,每
个时间点3次重复。
12 次生代谢产物分析 将毛状根研碎,取适量粉
末用70%甲醇回流提取后分别进行高效液相指纹
图谱分析[7],采用中药色谱指纹图谱相似度评价系
统2004A版(国家药典委员会)提取不同样品的共
有峰,所有样品峰面积均小于100mAU,没有得到基
线分离的峰不予提取。
13 cDNA芯片杂交 将30d材料作为参照,分别
与45d和60d的材料进行杂交,重复2次,每组均
采用正反标记以消除染料的误差。采用 CTABLiCl
法[8]提取丹参毛状根 RNA并进行快速琼脂糖电泳
检测,用 GeneQuant核酸定量仪测定 A260,A280比值
和浓度。
丹参cDNA芯片包含4354个克隆,制作方法
见前文[5]。芯片探针标记采用文献[9]方法,由博
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奥生物芯片有限公司完成。采用间接标记法进行探
针标记,包括双链cDNA合成、T7介导的 RNA体外
转录合成 cRNA、随机引物反转录、cDNA用 KLE
NOW酶标记等步骤,将不同样品分别用 cy3,cy5进
行标记,然后溶于30μL杂交液中(3×SSC,02%
SDS,5×Denhart’s,25%甲酰胺),于42℃杂交过
夜。杂交结束后,先在42℃左右含02% SDS,2×
SSC的液体中洗5min,而后在02×SSC中室温洗
5min,玻片甩干后进行扫描。
14 芯片图像的采集与数据分析 芯片用 LuxS
can10K/A双通道激光扫描仪(CapitalBio公司)进
行扫描,得到Tif格式的黑白灰度图,分别代表2种
荧光信号。用GenePixPro40图像分析软件(Axon
Instruments公司)对芯片图像进行分析,数据用
Lowess方法进行归一化。采用两倍差异标准结合 T
检验方法来确定差异表达基因。两倍差异表达即2
个样品信号比值大于2的基因为表达上调基因,比
值小于05的基因为表达下调基因。
15 差异基因拼接聚类 将上述确定的 203个
差异基因利用载体通用引物 T7为测序引物进行
单向测序,针对测序后为 PolyA的序列再用 T3引
物反向测序。利用 StadenPackage(htp://staden.
sourceforge.net)软件包中的序列组装程序进行序
列组装。输入文件格式为峰图文件(abl),参数
设定标准为:如果2个片段在至少40bp范围内有
大于80%的一致性序列就可得到拼接和延伸。拼
接后形成重叠群(contigs)和单拷贝(singlets),判
断所有这些 EST序列最终代表多少个独立基因
(unigene)。
16 Unigene生物信息学分析 序列对齐值(score)
大于80且序列同一性大于35%的搜索结果认为有生
物学意义上的显著相似性[10]。挑选其中分值最高的
蛋白质作为相应 EST最有可能的翻译产物。对于
BLASTX比对分值小于80的序列在核苷酸水平上使
用BLASTN程序进行同源性分析,序列对齐分值大于
150,序列同一性大于65%的条件下被认为有生物学
意义上的高度同源性。对于 BLASTN和 BLASTX比
对都没有注释结果(nohits)的序列及其搜索阀值满
足Evalue>105的 EST认为是可能的新基因片段。
由于丹参已有1万余条EST序列,因此,将本次实验
的所有 EST均与 estothers数据库进行 BLASTN比
对。为了估计差异基因所表达的功能已知基因和新
基因数目,根据BLAST搜索相似性将EST划分为四
大类 别[11]。利 用 GO (geneontology)(htp://
wwwgeneontologyorg)将上述 Unigene按参与“生物
学过程biological_process”、“细胞中的组成cel_com
ponent”以及实现“分子功能molecular_function”进行
分类[12]。利用KEGG(kyotoencyclopediaofgeneand
genomes)数据库(htp://wwwgenomejp/kegg)预测
基因产物在代谢中的地位和作用[13]。
17 芯片结果的 Northern杂交验证 用 Northern
点杂交技术对60/30d(Ⅲ1/I2)杂交结果中的部分
基因进行了验证。PCR产物经切胶纯化后取约500
ng采用NEBlotPhototopeKit(Biolabs)试剂盒进行探
针标记。提取丹参毛状根总 RNA,将质量浓度调节
至200ng·μL-1。样品变性后,点膜(杂交膜Immo
bilonNy+,Milipore)、交联,预杂交1h后,42℃杂
交12h。利用 PhototopeStarDetectionKit(Biolabs)
试剂盒进行检测,经过压片、显影、定影后照相观察,
根据光密度确定基因的表达量。
2 结果
21 不同时期毛状根生长量和次生代谢产物分析
 毛状根30d鲜重分别为595,603,585g;45d
分别为1392,1461,1350g;60d分别为 1330,
1402,1485g。可见,30d与45d和60d的生长
量差异显著,而45d与60d的生长量没有明显差
异。高效液相指纹图谱共提取18个共有峰,其中
17个为已知成分,另一个为未知成分。从峰面积的
柱状图可见,30,45d的18个成分峰面积相差不大,
有的30d还高于45d的,而60d时,除丹参素、丹
酚酸E区别不大外,其余成分的峰面积均显著高于
30d和45d的(图1)。由此可见,30~45d为丹参
毛状根生长的快速增殖期,而45~60d为丹参次生
代谢产物的快速积累期。
22 总 RNA的提取 RNA样品电泳条带清晰,
28S比18SrRNA条带的亮度接近2:1,RNA完整无
降解。A260/A280大于180,总 RNA的量大于20μg
(表1),能满足芯片杂交实验要求。
23 差异基因确定 芯片杂交结果背景低,杂交信
号清晰。得到各组的差异基因分别为:I2/I2表达
上调基因25个,下调基因16个;I3/I3上调15个,
下调85个;Ⅲ1/I2上调194个,下调174个;Ⅲ2/I3
上调113个,下调117个。为避免芯片实验本身和
人为带来的误差,取各个组合的共同差异基因203
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图1 丹参毛状根不同时期成分柱状图
峰1丹参素;峰2原儿茶醛;峰3咖啡酸;峰4未知;峰5ferulicacid;峰6丹酚酸D;峰7丹酚酸E;峰8迷迭香酸;峰9紫
草酸;峰10丹酚酸B;峰11丹参酮B;峰12丹参酮Ⅱ;峰13二氢丹参酮;峰14methltanshinonate;峰15隐丹参酮;峰16丹参
酮Ⅰ;峰17dehydromiltirone;峰18丹参酮ⅡA
表1 丹参毛状根RNA质量浓度和纯度
编号 时间/d A230 A260 A280 质量浓度/μg·μL-1 总量/μg 电泳结果
  Ⅰ2 30 7.209 16.656 7.553 3.3 49.5 RNA可用
  Ⅰ3 30 6.403 13.692 6.378 2.74 41.1 RNA可用
  Ⅱ2 45 4.106 9.634 4.411 1.93 28.95 RNA可用
  Ⅱ3 45 5.744 12.66 5.884 2.53 37.95 RNA可用
  Ⅲ1 60 0.529 1.485 0.776 0.59 29.5 RNA可用
  Ⅲ2 60 0.564 1.385 0.726 0.55 27.5 RNA可用
个进行测序分析,得到172条高质量的EST序列。
24 EST拼接聚类 经过去除载体序列后172条
EST的有效序列长度从390bp至796bp。全部片
段总长度为103200bp,平均长度为600bp。利用
gap4进行序列拼接后,共得到25个重叠群(contig)
和89个单拷贝 EST(singlet),共计114个独立基因
(Unigene),其中单拷贝基因占所有基因数的
7807%。Unigene序列长度390~1340bp。
25个重叠群中,13个contig的EST片段在不同
杂交组合中的表达行为一致,如 contigchip20c03的
4条 EST在60/30d杂交中均表现为上调基因。9
个contig中的EST片段在不同杂交结果中表现不稳
定,如contigchip45d10的5条 EST中有4条在45/
30d中上调而在60/30d中下调,另1条仅在60/30
d中下调。另外还有3个contig的 EST片段在不同
结果中出现了完全相反的情况,如 contigchip01e06
的7条 EST中6条为60/30d表达下调基因,另1
条为60/30d表达上调基因。出现这种情况的原因
一方面是这些基因的表达不稳定,另一种可能是芯
片在杂交、数据采集及分析过程发生了偏差。
通过EST聚类分析,按 Unigene的表达情况分
为6类以便以后的功能分析。Ⅰ类:45/30d表达上
调的1个;Ⅱ类:45/30d表达下调的5个;Ⅲ类:60/
30d表达上调的64个;Ⅳ类:60/30d表达下调的
32个;Ⅴ类:表达不一致的9个;Ⅵ类:表达完全相
反的3个。
25 Unigene同源性比较及注释结果的功能分类 
BLASTX分析发现,共有104个Unigene代表160个
EST与登陆在NCBI非冗余蛋白质数据库中的蛋白
质序列存在相似性,占有效 EST总数的9302%,这
其中有9个基因虽然与已知序列同源,但功能仍然
未知。对 BLASTX没有搜索到的序列进行 BLASTN
分析,只有1个Unigene存在相应的同源物。其余9
个Unigene共代表11条EST在国际公用蛋白质、核
酸数据库中没有注释信息(即没有注释结果的 no
hits)。根据BLAST相似性将所有Unigene分为四类
如下:功能已知基因共62个代表86条EST;功能未
定的假想蛋白共34个代表65条 EST;相似性较低
的未鉴定基因共9个代表10条EST;无显著相似性
的基因共9个代表11条 EST(表2)。与已知丹参
EST序列比对发现,62个 Unigene代表105条 EST
与已知丹参EST序列同源,共代表698条EST。
得到注释的基因中I类1个注释为Lectin,Ⅱ类
4个得到注释,Ⅲ类53个得到注释,Ⅳ类29个得到
注释,Ⅴ类6个得到注释,Ⅵ类3个均得到注释。从
注释结果看,Ⅲ类基因中有较多参与次生代谢产物
合成的相关基因,而其他类基因多与生长相关。功
能已知和未定的同源性最高的蛋白质分别来自35
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   表2 丹参ESTBLAST及与已有丹参EST序列比对情况
类别
EST
总数(%)
Unigene
数目(%)
与dbEST库比较
Unigene EST dbEST库
功能已知基因      86(50) 62(5438) 40 64 590
功能未定的假想蛋白   65(3779) 34(2982) 17 36 75
相似性较低的未鉴定基因 10(581) 9(789) 2 2 15
无显著相似性(NSH)基因 11(639) 9(789) 3 3 18
合计          172 114 62 105 698
个物种,其中主要是拟南芥(38/96,3958% ),其次
是水稻(11/96,1146%)和大豆(4/96,417%)。
这一结果与丹参EST大规模测序后的结果一致[14]。
26 GO分类 通过GO分类(20060507)共有67
个基因得到注释,其中Ⅱ类基因3个,Ⅲ类41个,Ⅳ
类19个,Ⅴ类3个,Ⅵ类1个。Ⅱ类的3个基因中,
参与2个 “生物学过程”分支,具有4个分子功能;
Ⅲ类的41个基因中,参与27个“生物学过程”,15
个“细胞中的组分”定位于胞质深胶(cytosol)、细胞
质(cytoplasm)等,具有51个分子功能,如 entcopa
lyldiphosphatesynthase活性,细胞色素 P450活性
等;Ⅳ类19个基因中,参与18个“生物学过程”,13
个在“细胞中的组分”定位,具有19个分子功能,如
蛋白结合、转录因子活性等;Ⅴ类的3个基因中,参
与4个“生物学过程”,具有5个分子功能如转录因
子、转移酶活性等。Ⅵ类1个基因参与 “生物学过
程”,“细胞中的组分”定位于线粒体电子传递链
(mitochondrialelectrontransportchain),“分子功能”
为ABC转运子(ATPbindingcasseteABCtransport
er)。可见,有的基因参与了不止一个生物过程或具
有不止一个分子功能。Ⅲ类基因中具有较多的分子
功能,主要集中在各种催化、激酶以及转录因子活性
方面,而Ⅳ类基因的分子功能集中在核酸结构组分
及应对外界刺激方面。
27 代谢途径分析 通过 KEGG分析,共有74个
基因得到注释,26个有详细的代谢途径分析,其中
Ⅱ类基因1个,Ⅲ类基因14个,Ⅳ类11个,共参与
29个不同的代谢途径(表3)。将上述代谢途径按
KEGG代谢图谱进行分类,Ⅱ类3个途径有2个参
与碳水化合物代谢、1个参与能量代谢;Ⅲ类22个
途径中6个途径参与碳水化合物代谢,5个参与次
生代谢,5个参与氨基酸代谢,3个参与外源物质降
解和代谢,另3个分别参与脂类代谢和遗传信息中
的转录以及细胞中的行为控制。Ⅳ类4个途径中2
个参与碳水化合物代谢以及能量代谢及转录。
可见,Ⅲ类基因具有重要意义,其他类基因主要
为生长相关的基础代谢基因。有些不同的基因参与
了同一条代谢途径,如 P450基因和 Omethyltrans
ferase均参与芪,香豆素和木质素生物合成途径,分
别催化不同的步骤,2isopropylmalatesynthase,
VALRS,BCAT2均参与缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸生
物合成。这些基因的注释为丹参功能基因的研究提
供了重要的基础。
28 Northern点杂交验证 Northern点杂交结果显
示,lectin在30d中的表达量高于60d的,而sinapyl
alcoholdehydrogenase,copalyldiphosphatesynthase,
2isopropylmalatesynthase均为 60d的表达量高于
30d的(图2)。此结果与芯片杂交结果完全一致,
表示芯片结果可靠。
3 讨论
31 芯片的重复性 影响芯片数据准确性的主要
原因为2种误差:生物学误差和实验系统误差[15]。
其中有些误差是可以人为控制的,而有些误差是无
法控制的,如生物个体的差异以及RNA标记过程中
所需荧光染料都带来不可避免的误差。减少误差的
最好方式是重复实验。重复实验的方法有多种,由
于样本的限制及实验成本的限制,并不是重复越多
越好,在实验设计时要充分考虑到具体的实验性质
加以灵活掌握。一种最简单的重复方式是芯片上的
探针重复,如每个探针在芯片上点2个甚至更多的
重复点。但这只能消除部分实验误差,生物学误差
以及标记的误差仍然不能消除。因此,还需进行生
物学重复以降低生物学误差,采用正反荧光标记实
验以降低荧光染料带来的误差。本研究充分考虑了
上述各种因素,采用了多种重复的方法,包括每个探
针在芯片上重复点制2次,每组实验采用2个生物
学重复,并采用正反标记的方法以最大限度的消除
各种误差,保证实验数据的准确可靠。
32 芯片结果 通过芯片分析可见,虽然45与30
d毛状根生长量差异显著,但并没有得到较多的差
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   表3 丹参差异基因PATHWAY分类
类型 contig号 基因 代谢途径
Ⅱ类 chip37c12  phosphoenolpyruvatecarboxykinase[ATP],putative/PEP;car
boxykinase,putative/PEPCK,putative
三羧酸循环、丙酮酸代谢、碳固定
Ⅲ类 chip16g09  copalyldiphosphatesynthase/CPS/entkaurenesynthetaseA
(GA1)
二萜生物合成
chip28c03
chip03a02
cytochromeP450familyprotein  抗坏血酸代谢、六氯环己烷降解、芴降解、
柠檬油精和蒎烯降解、芪、香豆素和木质素
生物合成chip02c03
chip35f10
chip07f09 Omethyltransferase,family3 芪、香豆素和木质素生物合成
chip06f03 2isopropylmalatesynthase1  缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸生物合成、丙酮
酸代谢
chip41d09 valyltRNAsynthetase/valinetRNAligase(VALRS)  缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸生物合成、氨酰
tRNA生物合成
chip28h12  branchedchainaminoacidaminotransferase2/branchedchaina
minoacidtransaminase2(BCAT2)
 缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸降解、缬氨酸、
亮氨酸、异亮氨酸生物合成、泛酸和辅酶生
物合成
chip04h10 homocysteineSmethyltransferase2 蛋氨酸代谢
chip32h07 isoflavonereductase,putative DDT降解、色氨酸代谢、丙酸酯代谢
chip13d05 myoinositol1phosphatesynthaserelatedprotein 链霉素生物合成、肌醇磷酸代谢
chip37d07 phospholipaseDbeta1/PLDbeta1 甘油磷脂代谢
chip35e06 mybfamilytranscriptionfactor 日夜节律
Ⅳ类 chip04e04 classIVchitinase(CHIV) 氨基糖类代谢
chip19g04 Lgalactono1,4lactonedehydrogenase 抗坏血酸代谢
chip01g10 carbonicanhydrase 氮代谢
chip10a03 60SribosomalproteinL21(RPL21C) 核糖体
chip35h08 40SribosomalproteinS15(RPS15D)
chip40d06 60SribosomalproteinL32(RPL32B)
chip43h02 60SribosomalproteinL34
chip25b10 60SribosomalproteinL37a
chip44b10 largesubunitribosomalproteinL27
chip15h10 60SribosomalproteinL23(RPL23C)
chip39h04 60SribosomalproteinL37(RPL37C)
图2 Northern点杂交结果
1,3,5,7,9毛状根30d;2,4,6,8,10毛状根60d;分别使用探
针actin(1,2);lectin(3,4);sinapylalcoholdehydrogenase(5,6);
copalyldiphosphatesynthase(7,8);2isopropylmalatesynthase(9,
10)
异基因。而60与30d杂交结果中差异基因较多,
且多集中在次生代谢方面。该结果可能与cDNA建
库材料的选择有关。建库材料所选用的根为丹参次
生代谢产物合成和积累的主要场所,缺乏与生长发
育相关的基因导致45/30d差异基因明显偏少。
芯片分析结果并不是研究的最终目的,它只是
为后续研究工作搭建一个平台。由于时间有限,仅
对部分基因的表达和功能作了进一步的验证。即便
如此,作者已从4000多个基因中筛去了绝大部分
无表达差异的基因,这是传统基因筛选方法所不能
达到的。对于这些用芯片方法筛选出的重要功能基
因如P450、二帖合酶以及金属硫蛋白基因等,将在
随后进行深入研究,陆续进行报道。
[致谢] 北京大学药学院天然药物学系果德安教授研
究组在丹参次生代谢产物分析方面提供支持。
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FunctionalgenomicsstudiesofSalviamiltiorrhizaⅡ
———geneexpressionprofilingofdifferentstageofhairyroot
CUIGuanghong1,HUANGLuqi1,QIUDeyou2,YUANYuan1,FUGuifang1
(1InstituteofChineseMateriaMedica,AcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China;
2InstituteofForestry,ChineseacademyofForestry,Beijing100091,China)
[Abstract] Objective:StudyingthegeneexpressionprofilingofdiferentstagehairyrootofSalviamiltiorhiza,inordertofind
functionalgenes.Method:ThecontentsofsecondmetabolitesweredeterminedbyHPLCandgeneexpressionprofilingwasdetectedby
cDNAmicroaray.cDNAlabeledwithafluorescentdye(Cy5andCy3dCTP)wasproducedbyEberwine'slinearRNAamplification
methodandsubsequentenzymaticreaction.ThemicroarayswerescannedwithaScanArayExpressscannerusingScanAray2.0soft
wareandquantifiedbysignalintensitiesofindividualspotsfromthe16bitTIFFimagesusingGenePixPro4.0.Thelinearnormaliza
tionmethodwasusedfordataanalyze.Northernblotwasusedtotestthegeneexpressionresultsobtainedbymicroaray.Diferentex
pressedgenesweresequencedandanalyzedbygap4software,andthentheywereanalyzedwithBLASTX,BLASTN,GOandKEGG.
Result:Growthrateandsecondmetabolitesanalysisindicatedthatthestagefrom30dto45dwasthegrowthstage,whilethestage
from45dto60dwasthesecondmetabolitesaccumulationstage.Accordingly30dhairyrootwaschosenasareference,whichwashy
bridizedwith45dand60dhairyrootseparately.Total203diferentexpressedgeneswereobtained.Northernblotshowedthatthere
sultwasidenticalwiththemicroarayresult.Aftersequenced,therewere172genesclusteredinto114clusters(Unigenes).Among
them,62unigeneshadknownfunctions,34unigeneswerehypotheticalprotein,9unigeneswerehomologueswithnosimilarityand9
unigeneswereunidentifiedproteinwithlowsimilarity.Total67geneswereclassifiedintocelularcomponentontology,molecularfunc
tionontologyandbiologicalprocessontologybasedonGOanalysis.Total26genes,whichrepresented29metabolicrelatedenzymes,
werelocatedinmetabolicmapsbasedonKEGGpathwayclassification.Conclusion:Severalimportantfunctionalgenesrelatedtosec
ondmetabolitesynthesiswereclonedsuchasP450andcopalyldiphosphatesynthasegenes.cDNAmicroaraywasausefultoolfor
functionalgenomicsoftraditionalChinesemedicine.
[Keywords] Salviamiltiorhiza;hairyroot;geneexpressionprofiling;cDNAmicroaray
[责任编辑 张宁宁]
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第32卷第13期
2007年7月
         
    中 国 中 药 杂 志
ChinaJournalofChineseMateriaMedica
       
Vol.32,Issue 13
July,2007