甘蓝、白菜和甘蓝型油菜中串联重复序列的特征及其所在基因的功能分析

摘要

油菜(rapeseed)属十字花科(Cruciferae)芸薹属（Brassica L.），是世界上五大油料作物之一。甘蓝、白菜和甘蓝型油菜是芸薹属中非常重要的栽培类型。白菜型油菜（Brassica rapa）起源于我国，栽培历史悠久，遗传变异丰富，抗病性相对较弱。甘蓝（Brassica oleracea）是变种较多的蔬菜和饲料植物，被认为是英国及欧洲大陆海岸的野生甘蓝经长期种植驯化而成的品系。甘蓝型油菜（Braasicanapus）是广泛栽培的油菜类型，适应性广、抗病性好，在生产以及科研方面都占有极其重要的地位;但甘蓝型油菜起源于欧洲，国内栽培历史较短，种质资源相对匮乏。甘蓝型油菜B.napus(AACC，2n=4x=38)是由其二倍体亲本物种白菜B.rapa（AA，2n=2x=20）和甘蓝B.oleracea(CC，2n=2x=18)经天然杂交和染色体加倍而获得的异源四倍体物种。甘蓝型油菜基因组与二倍体亲本（甘蓝和白菜）基因组具有较高的同源性。现代育种工作中，常通过甘蓝与白菜杂交的途径获得人工合成甘蓝型油菜，这已成为丰富甘蓝型油菜遗传变异拓宽甘蓝型油菜遗传基础的重要途径。
　　人工合成甘蓝型油菜的多倍化过程主要包括甘蓝和白菜的种间杂交和染色体加倍两大事件。种间杂交和染色体加倍过程必然伴随着剧烈的基因组变异。这是因为种间杂交打破了物种间的界限，人为促进不同物种原有的独立的遗传物质的交流，扰乱了物种原有的调控网络秩序，导致基因组间遗传物质的重新调整与分配。研究表明，新合成多倍体的基因组发生了大量的变异，这些变异也往往引起植物表型改变。
　　新合成多倍体基因组中，串联重复序列（包括卫星、小卫星和微卫星序列又称简单重复序列Simple sequence repeats，SSRs）的快速大量产生或消失可对基因组大小及结构产生重大影响，也是影响基因结构、表达，导致基因功能改变的重要因素。在多倍化过程中，串联重复序列是如何产生和发生变异的，这些变异体的序列特征及其相互关系如何，它们对多倍体物种基因组的进化、物种表型和生物适应性会产生怎样的影响等，值得进一步研究。
　　本研究采用生物信息学分析与实验验证相结合的方法。首先利用生物信息学方法对已有的甘蓝、白菜和甘蓝型油菜三个芸薹属物种序列(Plant Genomics Databaseassembled Unique Transcripts，PUTs)，进行串联重复序列的差异特征及对基因和基因组的影响分析。卫星(satellite)和小卫星（minisatellite）（即重复单元均大于10 bp的序列），我们统称为MiS-TR。结果如下:(1)来自于白菜的PUT-MiS-TR(PUT中检测到的MiS-TR)的长度、重复单元大小和这些重复序列中的GC含量，与甘蓝中的PUT-MiS-TR基本一致，均高于甘蓝型油菜中的PUT-MiS-TR;但甘蓝型油菜中PUT-MiS-TR的频率、相关转座子的数目和插入/删除(Indel)事件发生频率均高于亲本物种。(2)甘蓝和白菜中包含MiS-TR的PUT序列多定位于某些细胞元件及膜上;甘蓝型油菜中，定位在质膜和细胞器上的PUT序列高于白菜和甘蓝。(3)白菜和甘蓝中，参与蛋白结合的PUT-MiS-TR远远高于甘蓝型油菜;具有核苷酸结合功能的PUT-MiS-TR、具有酶活性的PUT-MiS-TR在甘蓝型油菜中所占比例均高于白菜和甘蓝。(4)与二倍体亲本白菜和甘蓝相比，异源四倍体甘蓝型油菜含有较高的SSR密度、较丰富的复合型SSR模体、并且含有较多的单碱基模体的SSR和较大的平均重复数，还可检测到较多的与胁迫反应和发育过程有关的含有SSR的PUT序列。因此推测，甘蓝型油菜基因内部MiS-TR数量和分布规律的改变、SSR的快速大量产生，对新合成多倍体物种的进化以及多倍化过程中对环境变化的快速适应具有重要影响。
　　另外，我们构建了一个由自然甘蓝型油菜和人工合成甘蓝型油菜（甘蓝×白菜）杂交后代衍生的DH（doubled-haploid DH）群体，简称NR-DH，并以一个双亲均为自然甘蓝型油菜的DH群体，简称NN-DH，作为对照群体，研究了油菜基因组中的SSR变异:(1)NR-DH群体中SSR的突变率（4.2×10-2每位点每世代）显著高于对照NN-DH群体（3.2×10-3每位点每世代），且新型SSR变异体主要产生于NR-F1世代，其比例在NR-DH群体后代中得到保持;NR-DH群体所检测到的编码区内的SSR变异体中，多数SSR的变异导致基因区域发生移码突变(62.5％);发生删除或者插入突变的SSR变异体导致氨基酸的丢失(12.5％)或者增加(25.0％)。(2)与亲本相比，NR-F1世代即有序列消失现象出现，NR-DH群体中SSR消失序列的比例比NR-F1世代增加了三倍。(3)染色体定位分析表明，新型和消失的片段，在甘蓝和白菜染色体上不均衡分布。可以推测在基因组纯化过程中，来自白菜的A染色体组和甘蓝的C染色体组与自然甘蓝型油菜中的AC染色体组间的错配是导致序列丢失进而导致甘蓝型油菜基因组缩小的重要原因。
　　综上所述，多倍化过程引起的串联重复序列的大量发生、变异或消失，是多倍化过程在核酸水平上留下的重要印迹，反映了多倍体基因组在大小和结构上的改变。串联重复序列在一定程度上缓和了由多倍化引起的基因组震荡，维持了基因组的遗传和稳定，提高了植物基因组的可塑性和对不利刺激的适应性;丰富了基因和表型多样性，某些有利的表型变异增强了物种的适应性。