非洲栽培稻细胞器基因组组装及其系统进化分析

发布时间：2020-05-10 19:23

【摘要】：作为植物体遗传信息的重要组成部分,叶绿体基因组和线粒体基因组在系统进化、物种鉴定、核质互作、基因工程等研究中均发挥重要作用。非洲栽培稻(Oryza glaberrima Steud)是水稻种质资源利用的重要材料,对其细胞器基因组进行组装和分析,对拓宽水稻种质资源的遗传背景,开创水稻育种新途径具有重要意义。迄今,已经完成测序的水稻品种包括普通栽培稻和部分野生稻种,但尚无关于非洲栽培稻RAM3线粒体基因组序列的报道。本研究以非洲栽培稻RAM3构建的多个基因组文库为数据基础,拟分别完成其线粒体基因组和叶绿体基因组的组装,并对其进行初步分析,主要研究结果如下:1.叶绿体基因组的组装及分析:利用Miseq PE2500双末端测序数据,以NCBI收录的27条叶绿体基因组序列为参考,通过BWA比对提取水稻叶绿体基因组序列,并用Discovar Denovo软件进行初步组装并分别获得其LSC、SSC和IR序列片段,进一步连接完成后得到完整的RAM3叶绿体基因组。非洲栽培稻RAM3的叶绿体基因组全长134582bp,呈典型的四段式结构,编码117个基因,包含83个蛋白编码基因、4个r RNA和30个t RNA;其基因组结构、基因顺序、含量和密码子使用情况与其它已发表水稻的叶绿体基因组相似。在非洲栽培稻RAM3的叶绿体基因组中共检测到32个散在重复序列和32个串联重复序列。对非洲栽培稻RAM3叶绿体基因组的16个简单重复序列(SSR)分析发现:SSR都是多聚A或多聚T,在叶绿体基因组内呈不均一分布。2.比较基因组研究:非洲栽培稻与稻属其他五个AA物种(Japocin、Indica、Nivara、Rufipogon、Barthii)的叶绿体基因组整体相似性较好,但基因间区的变异较大;非洲栽培稻RAM3与五个AA稻属叶绿体基因组的IR边界基因都是一样,只有距离远近稍有偏差;基于31种植物7种不同的叶绿体基因数据集构建了系统进化树,进行了系统发育研究,发现叶绿体基因组的LSC、CDS、全序列、IGS数据集在进化分析中的支持率较高,结果更为可靠。并筛选出5个非洲栽培稻叶绿体特异标记,验证了本实验室自主选育的非洲栽培稻基因渗入系均具有非洲栽培稻细胞质。3.线粒体基因组的组装及分析:同时利用三个软件对非洲栽培稻RAM3线粒体基因组进行拼接组装,组装结果序列全长为495258 bp,共编码84个基因,其中包含64个蛋白编码基因、3个r RNA和28个t RNA,整条线粒体含有16个内含子,分布在9个蛋白编码基因中。在非洲栽培稻RAM3的线粒体基因组中共检测到94个散在重复序列和29个串联重复序列。对非洲栽培稻RAM3线粒体基因组的37个简单重复序列(SSR)分析发现:SSR都是多聚A或多聚T,与叶绿体基因组相似,它们在线粒体基因组内呈不均一分布。对密码子使用偏性分析发现:亮氨酸的使用概率最高,色氨酸和蛋氨酸最少。4.非洲栽培稻RAM3线粒体基因组间序列分析,共发现75个AT富集区,A+T最大差异可以达到35.19%;预测RAM3线粒体基因组中28个t RNA的二级结构,共发现58个错配和1个缺失;对基因的选择压力分析,发现:受正向选择的基因nad6选择压力最大,基因nad2受到的选择压力最小,受中性选择的是基因cob。5.非洲栽培稻RAM3细胞器基因组间序列迁移分析:由叶绿体往线粒体的序列迁移,片段总长22311bp,约为非洲栽培稻RAM3线粒体基因组总长的4.5%。共有21个迁移片段长度大于或等于100bp,其中最长的片段长度为6752bp。
【图文】：

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图 1 叶绿体和线粒体的生物起源时间和过程， (Dyall 等,2004)Fig. 1 Time and process of biological origin of chloroplasts and mitochondria二十世纪以来，人们更加关注和重视叶绿体基因组的发展，被测序的叶绿体数目增加快速，这都归功于测序与基因组拼接组装技术的成熟与发展，已几乎形成一整套成熟的组装体系，甚至，许多学者都可以借助相关生物信息软件，组装获得叶绿体基因组（Excoffier and Lischer, 2010）。目前，叶绿体完整基因组的获得已从最初的地钱和烟草两个物种，扩展到现如今诸如水稻（oryza sativa）、小麦（Triticumaestivuml）和大豆（Giycine max）等多种作物。由图 2 可知，截至到去年第一季度，已经有 1157 条完整叶绿体基因组全序列被 NCBI 接收，2010-2017 年收录的叶绿体基因组显著多于之前，总和可以达到 1030 条以上。2016 年测定的序列数目最多，2015 年测定的数目次之（Xie et al., 2017）。随着测序技术的飞跃前进和叶绿体基因组分析体系的逐渐成熟，越来越多的叶绿体基因组信息被公布于众，同时完善的体系也降低了拼接、组装、遗传多样性分析的难度及成本，使得越来越多的学者开始

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非洲栽培稻细胞器基因组组装及其系统进化分析比如：IRs 并不是所有叶绿体基因组都含有，个别豆类植物就失去了一个 IR，此外，一些藻类拥有两个同向，并不是反向的重复区（IR），甚至一些物种的重复区被缩减至 500 bp 以下（Martin and Kowallik, 1999）。再比如，，部分裸子植物中含有基因chl 片段，可研究发现几乎所有叶绿体基因组要么缺失基因 chl，要么是假基因形式出现，其功能已经交由细胞核调控与表达；chl 基因和 rpl21 都已经彻底被被子植物淘汰（Wicke, 2011）；accd，rpl22，rpl23，ycf1，ycf2 等基因中的一些基因在豆科植物的叶绿体不存在，甚至个别豆科植物的叶绿体全部遗弃了这些基因。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511

【参考文献】