拟南芥同源四倍体同源重组相关基因的表达及其编码蛋白质生物信息学的分析

摘要

基因组多倍化是被子植物进化的主要途径之一。与二倍体亲本相比，多倍体植物会发生一定的变化，如植物的花序、种子及气孔细胞等的增大，某些代谢产物增多，同时还表现出一定的抗逆性、不育性和巨大性，这些变化可能创造巨大的社会经济价值。前期研究表明，在多倍体物种初始形成及进化过程中，伴随二倍化进程，即通过DNA消除、基因沉默和染色体重排等方式，对形成的基因组进行重建，进而改变原基因组中某些基因间连锁关系或遗传模型，从而诱发遗传和表观遗传变化。新生多倍体不但表现出新的细胞和分子遗传特性，同时在基因表达方式和水平等方面也发生一些特异性变化。
　　减数分裂是有性生殖物种世代交替的重要过程，而在该过程中可能发生的同源重组则是遗传变异的来源。由一系列基因按照一定的时空顺序表达和共同协调完成在减数分裂前期Ⅰ过程中发生的同源染色体间配对、联会和重组过程，而基因组加倍后诱发的遗传和表观遗传的变化都会对这些过程造成一定的影响，而具体诱发机理还不清楚。
　　由此，我们利用模式植物拟南芥生长周期短和生殖发育优越性，首先进行同源四倍体植株合成;在表观遗传学方面，利用高效液相色谱法(HPLC)测定同源四倍体全基因组甲基化程度变低;然后结合已知的影响减数分裂过程的相关基因，在拟南芥信息数据库(TAIR)中选取5个在联会、配对和重组过程起到关键作用的基因:ASY1、DMC1、MSH4、MRE11、SPO11-1，利用实时荧光定量PCR技术，分析它们在同源四倍体中的相对表达水平得到提高;借助蛋白质生物信息学技术，利用相关软件对这5个基因编码蛋白质的结构与功能进行分析。
　　主要实验结果如下:
　　(1)同源四倍体拟南芥的获取
　　以二倍体Ws型拟南芥为处理对象，对秋水仙素浓度与处理时间组合进行深入探讨。经过一系列筛选，结果表明当秋水仙素浓度为0.3％，处理时间为2h时，诱导效果最好即诱导率在22％，所以在实验中我们采用的是浓度为0.3％秋水仙素与处理时间为2h的组合，最终获得同源四倍体拟南芥。
　　(2)初步研究同源多倍体中DNA甲基化程度与相关基因表达水平的关系
　　利用HPLC法测得同源四倍体拟南芥全基因组DNA甲基化水平降低，而根据实时荧光定量PCR法检测结果可知在同源多倍体中同源重组相关基因表达水平在一定程度上表现出提高现象。本研究表明，在同源四倍体拟南芥中，全基因组DNA甲基化程度降低和同源重组相关基因表达水平的提高两者与同源多倍化存在一定程度的联系，但是两者之间存在的具体机制有待研究。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 植物多倍体的来源和类型

1．2 植物减数分裂的研究

1．2．1 植物减数分裂的过程

1．2．2 植物减数分裂中同源重组的过程和机制

1．2．3 拟南芥减数分裂中影响同源重组的相关基因研究

1．3 多倍体中基因表达调控的分子机制

1．3．1 基因剂量效应

1．3．2 基因表达调控网络的改变

1．3．3 遗传与表观遗传的变化

1．4 生物信息学在蛋白质结构分析中的应用

1．5 本实验研究的目的和意义

2 拟南芥同源四倍体同源重组相关基因分析

2．1 拟南芥同源四倍体的合成与倍性鉴定

2．1．1 材料与方法

2．1．2 结果与分析

2．1．3 小结与讨论

2．2 同源四倍体拟南芥全基因组DNA甲基化程度的测定

2．2．1 材料与方法

2．2．2 结果与分析

2．2．3 小结与讨论

2．3 同源多倍化效应对拟南芥同源重组相关基因的影响

2．3．1 材料与方法

2．3．2 结果与分析

2．3．4 小结与讨论

3 拟南芥同源重组相关基因编码蛋白质的生物信息学分析

3．1 方法

3．1．1 利用NCBI数据库获取拟南芥同源重组相关基因蛋白氨基酸序列

3．1．2 利用I-TASSER服务器对拟南芥同源重组相关基因编码蛋白质的三级结构和功能的预测

3．1．3 利用PROCHECK服务器对拟南芥同源重组相关基因编码蛋白质的构象进行分析并用定性模型分析服务器进行评估

3．1．4 利用Kyte-Doolittle Hydropathy Plots服务器分析拟南芥同源重组相关基因编码蛋白质的疏水性、亲水性及跨膜区

3．2 结果与分析

3．2．1 拟南芥同源重组相关基因蛋白氨基酸序列

3．2．2 拟南芥同源重组相关蛋白质三级结构的预测

3．2．3 拟南芥同源重组相关蛋白质的构象分析

3．2．4 拟南芥同源重组相关基因编码蛋白质的疏水性、亲水性及跨膜区分析

3．3 小结与讨论

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

个人简历

致谢