非洲栽培稻细胞器基因组组装及其系统进化分析

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rRNA和30个tRNA;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495258bp，共编码84个基因，其中包含64个蛋白编码基因、3个rRNA和28个tRNA，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tRNA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。

目录

声明

摘要

缩略语表

1 前言

1．1 叶绿体基因组学研究

1．1．1 叶绿体基因组起源

1．1．2 叶绿体基因组结构及特点

1．1．3 叶绿体基因组测序策略

1．1．4 叶绿体基因组分子进化研究

1．2 线粒体基因组学研究

1．2．1 线粒体基因组起源

1．2．2 线粒体基因组的结构及特点

1．2．3 线粒体基因组测序策略

1．2．4 线粒体基因组与雄性不育

1．3 植物细胞器基因组的基因片段迁移研究进展

1．4 植物细胞器在植物系统发育中的研究

1．5 研究的目的与意义

1．5．1 研究的目的

1．5．2 研究的意义

2 材料与方法

2．1 实验材料及数据来源

2．2 实验方法

2．2．1 水稻基因组DNA提取

2．2．2 全基因组测序与序列拼接

2．2．3 生物信息学分析

3 结果与分析

3．1 叶绿体基因组组装与序列分析

3．1．1 叶绿体基因组组装

3．1．2 叶绿体基因组注释

3．1．3 叶绿体基因组重复序列和SSR

3．1．4 叶绿体基因组密码子偏好性

3．1．5 叶绿体基因组的比较与系统发育分析

3．1．6 叶绿体特异标记

3．1．7 对20个测序材料的分析研究

3．2．1 线粒体基因组组装

3．2．2 线粒体基因组注释

3．2．3 线粒体基因组重复序列和SSR

3．2．4 线粒体基因组密码子偏好性

3．2．5 线粒体基因组非编码区的A-T富集区

3．2．6 线粒体基因组tRNA二级结构

3．2．7 线粒体基因组基因选择压力分析

3．2．8 三个线粒体基因组之间的比较

3．3 基因组间序列迁移

3．3．1 基因组比较

3．3．2 细胞器基因组间序列迁移

4 讨论

4．1 叶绿体基因组组装

4．2 叶绿体基因组分析

4．3 线粒体基因组组装

4．4 线粒体基因组分析

4．5 细胞器基因组间的序列迁移

参考文献

致谢