光温敏雄性核不育水稻的花粉育性受日照长度或温度的调控,在长日、高温条件下表现不育,短日、低温条件下表现可育,因此,人们可以利用水稻这一特性进行“两系法”杂交稻育种来补充传统的“三系法”杂交育种体系。尽管目前已有70多个水稻细胞核雄性不育基因被报道,相关的基础理论研究取得了很大的进展,但系统的认识光温敏核不育水稻的分子机理以及调控网络仍不清楚。我们实验室的前期研究表明,水稻中转录因子csa(carbon starved anther)突变体具有光敏雄性不育的特性,可应用于水稻两系杂交系统,然而其光敏雄性不育的分子机制还需要进一步探究。因此,本研究在前期工作的基础上,继续以CSA这个转录因子为研究对象,利用生物信息学中基因共表达调控网络的方法,综合公共数据库和csa特异性芯片数据信息,来系统分析和探讨CSA可能参与调控花粉发育和影响光温敏雄性核不育的分子机理,将为进一步揭示其参与水稻光敏雄性不育的分子机制提供重要参考。本研究的主要研究结果如下:(1)在常规基因共表达分析的基础上,采用了表达一致性(Expression coherence,EC)法对水稻生殖发育转录表达谱数据进行分析,寻找到了相似性较高的转录表达谱的基因与生物学功能的相关性,并通过对公共数据库中的水稻生殖与发育过程的表达谱芯片数据筛选,构建了一个用于研究水稻生殖发育过程的共表达分析平台,该平台共包含了27,673个基因,通过该网络可以获得与特定基因表达相关的其它候选基因。(2)通过对csa全基因组表达谱芯片分析,我们一共检测到了2085个差异表达基因(变换2倍以上,P小于0.005),其中包括1210个上调基因和875个下调基因。进一步对这些差异候选基因以及网络关键基因节点的功能富集分析结果表明,CSA的突变可能对脂代谢(GO:0006633,fatty acid biosynthetic process;GO:0080019,fatty-acylCoA reductase activity)、糖代谢(GO:0008643,carbohydrate transport;GO:0019252,starch biosynthetic process)等过程产生影响,从而造成水稻花药发育异常并导致花粉最终的败育。(3)我们对水稻生殖与发育的表达谱数据结合CSA芯片差异分析,构造一个高分辨率差异共表达网络和提供了一个系统研究水稻生殖发育过程的平台,其中,我们确定了718个差异基因富集的关键节点(Hub Gene);CSA与绒毡层发育相关的基因(如TDR、OsC6、GAMYB等)、糖代谢相关基因(如MST8、RTS等)表现出较高的相关性,预示着CSA在这些生物学过程中可能具备了重要的功能作用。(4)我们通过以上分析,寻找到了一批与CSA可能存在互作关系的基因/蛋白,并对其中一个与CSA同属MYB转录家族的转录因子MYB5进行CRISPR-Cas9基因定点敲除分析,初步的结果表明myb5与csa表型类似,推测可能该基因在水稻发育过程中与CSA执行着相似的功能。本研究通过构建的差异共表达网络,对水稻生殖发育过程的生物学事件进行系统、全面的研究;预测寻找可能对CSA突变体表型产生影响的基因,进而为更好地解释该突变体表达提供生物信息学层面的支持。此外,本次研究中创新性地提出了利用差异基因富集分析的方法,并利用超几何分布检验对其进行统计学的显著性检验,从而形成了一种有效检测转录组功能模块的研究方法,这也为后续有志于利用表达谱数据来研究转录组功能的生物学家提供了新的研究思路。