栽培西瓜与野生西瓜果实发育 过程中的转录组比较分析

郭绍贵 孙宏贺 张海英 刘景安 任毅 宫国义 焦晨 郑轶 杨文才 费章君 许勇

目的与意义：西瓜是一种重要的水果作物，但其果实发育和成熟的分子机制尚不清楚。为了更好地了解导致其果实发育差异的遗传基础，对栽培西瓜自交系‘97103和野生种质‘PI296341-FR进行比较果实转录组分析，并对果实发育过程中特别的代谢产物进行综合分析，以便为深入了解西瓜果实品质形成和成熟过程中的基因表达调控网络提供依据。

材料与方法：以‘97103果肉和中果皮及‘PI296341-FR果肉为材料，分别在果实未成熟期（10 DAP）、转色期（18 DAP）、红熟期（26 DAP）和完熟期（34 DAP） 4个关键发育阶段取样，以便进行转录组比较分析。采用华越洋RNA试剂盒提取总RNA，制备链特异RNA-Seq文库，Illumina HiSeq 2000平台进行单末端100 bp高通量测序。使用Trimmomatic和Bowtie处理原始RNA-Seq数据，使用Tophat将得到的高质量数据与西瓜基因组序列比对。使用DESeq、LIMMA、Benjamini-Hochberg鉴定差异表达基因，GO、TermFinder、Plant MetGenMAP进行差异表达基因功能分析。利用LightCycler480进行qRT-PCR检测，验证基因表达。

结果与分析：（1）基因表达分析：采用Illumina平台对14个样品进行链特异RNA高通量测序，共获得3.218亿条高质量数据。其中栽培型西瓜‘97103果肉和中果皮和野生型西瓜‘PI296341-FR果肉中分别有18 198（77.6%），18 392（78.5%）和17 954（76.6%）个基因表达。组织基因差异表达分析显示，‘97103和‘PI296341-FR的果肉和中果皮分别有2 452、826和322个基因在果实发育和成熟过程中差异表达。其中，‘97103果实的果肉、中果皮和‘PI296341-FR果实的果肉中，分别有2 064、530和139个基因的特异性表达。以上数据表明，在‘97103果实发育过程中，更多的基因在果肉中有差异表达，这与‘97103果实发育过程中仅在果肉中出现了一系列的生理生化變化，如颜色、质地、含糖量等是一致的。这些结果反映了‘97103果肉基因表达调控网络的复杂性。（2）差异表达基因的基因功能GO富集分析：与西瓜果实品质发育和成熟相关的生物学功能只在‘97103果肉中富集，这些基因在‘97103果肉中的差异表达的基因对栽培西瓜和野生西瓜果实品质差异的形成至关重要。在‘PI296341-FR果肉发育的差异表达基因中，几乎没有品质发育和成熟相关的生物学功能富集，这些差异表达基因主要富集于主要与非生物胁迫反应等生物学功能分类，这一结果与‘PI296341-FR具有更强的逆境胁迫耐受性一致。（3）代谢途径分析：在‘97103果肉和中果皮及‘PI296341-FR果肉中的差异表达基因分别参与了204条、88条和34条代谢途径，其中分别有50条、17条和5条代谢途径发生了显著变化。这些变化显著的代谢途径可能是导致栽培西瓜与野生西瓜果实品质差异的关键基因网络。

结    论：利用高通量的RNA-seq技术对栽培西瓜和野生西瓜进行基因表达比较分析，获得了3.218亿条高质量数据。这一数据集首次系统展示了野生西瓜果实发育过程基因表达谱，研究发现了多个影响西瓜果实品质的关键基因，鉴定了乙烯生物合成中的调控基因和成熟相关的信号通路。尽管西瓜属于非呼吸跃变型水果，但乙烯也参与了西瓜果实品质调控。为深入了解西瓜果实发育成熟的分子机制提供了新视角。