基于RNA-seq分析不同类型油菜品系的转录组特征

摘要

甘蓝型油菜（AnAnCnCn）不仅是我国甚至世界范围内重要的油料作物，而且是芸薹属物种中经历过种间杂交而成的典型异源四倍体物种。在甘蓝型油菜的育种历程中，种间杂交及外源基因组的导入常用于拓宽甘蓝型油菜的遗传背景及创建新的遗传资源。本实验室已经通过大规模种间杂交在常规甘蓝型油菜内导入白菜型油菜Ar和埃塞俄比亚芥的Cc基因组成分，获得了A基因组或AC基因组同时被替换的新型甘蓝型油菜。在研究过程中也发现经过种间杂交过程的甘蓝型油菜其基因组内会发生大量的染色体重排事件和新变异的产生，同时可能伴随有转座子的激发。
　　本研究采用转录组主流分析方法RNA-seq技术，对18份不同类型油菜品系（主要为甘蓝型油菜）的苗期转录组数据进行分析，其中包括白菜型油菜、经过种间杂交过程的甘蓝型油菜、未经过种间杂交过程的甘蓝型油菜。从全基因组水平全面分析经历过不同育种历程的甘蓝型油菜其功能基因及转座子的表达特征，试图从表达水平上探测不同育种历程，如杂交及外源种质导入，对甘蓝型油菜表达影响，并重点分析不同基因组胁迫条件下不同类型转座子的表达差异，主要分析内容及其结果如下：
　　1.以Brassica95k Unigene为参考，对经历了不同育种历程（种间杂交和外源种质导入）下甘蓝型油菜及白菜亲本的转录组数据进行基因表达分析。结果显示甘蓝型油菜基因表达数目比白菜型油菜基因表达数目多，但未成二倍化关系。所有油菜品种共同表达的基因数目43492（46％），具有白菜和埃塞尔比亚芥双重导入的新型甘蓝型油菜（ArArCcCc）特异表达的基因个数为3814，远多于其他类型甘蓝型油菜，说明外源种质的导入对基因表达产生了很大影响。
　　2.分析不同育种历程条件下的甘蓝型油菜表达差异发现：同与白菜型油菜相比，未经过种间杂交过程的甘蓝型油菜品种表现出的差异最小，其次为经过种间杂交材料中较为稳定的优良品种，最后为新型甘蓝型油菜。呈现出育种历程越复杂、育种时间越短，差异越大的趋势，说明种间杂交过程使得油菜品种的基因表达发生了较大的改变。并且与白菜型油菜相比上调基因数目明显多于下调基因数目，表明大部分基因表达得到激发。基于系谱关系分析子代和亲本的表达发现，子代与亲本之一基因表达差异较大，和另一亲本以及亲本的平均值差异较小。差异表达基因上调和下调数目无明显差异，但若亲本之一为白菜型油菜，上调基因明显多于下调基因。
　　3.利用拼接的 Unigene分析不同类型甘蓝型油菜中转座子表达类型差异。Unigene中的重复序列占1%左右。反转座子的数目明显较DNA转座子的数目要多，并且两类不同育种历程下的甘蓝型油菜在DNA转座子（Class II）总数有显著差异，其中Tourist/Harbinger类型也表现为显著差异。
　　4.通过构建新的芸薹属转座子数据库，分析不同类型油菜转座子的表达量差异。结果表明：甘蓝型油菜中经过种间杂交甘蓝型油菜品种定位到新芸薹属转座子数据库上的序列约为0.30%，未经过种间杂交的为0.23%，白菜型油菜仅约为0.1%。
　　5.各类转座子家族在不同类型油菜间表达量差异较大，表现为种间差异大于种内差异。其中差异数目较多的转座子为 EnSpm、HAT、MuDR、Helitron和LTR类中Copia和Gypsy家族。其中与白菜型油菜相比差异表达的转座子中，上调转座子家族数目多于下调转座子家族数目。统计基于系谱的子代和亲本的转座子表达差异发现，部分转座子家族表现出并且子代和亲本之一差异较大，和另一亲本以及亲本均值差异较小。

目录

声明

缩略语表

1 前言

1.1 新一代测序技术的应用

1.2 植物转录组学技术研究进展

1.3 甘蓝型油菜基因组结构特征

1.4 种间杂交诱导的植物基因组胁迫与遗传效应

1.5 转座子活动与植物基因组变异

1.6 本研究的目的意义

2 材料和方法

2.1 实验数据

2.2 实验材料分类

2.3 实验方法

3 结果与分析

3.1 转录组数据预处理及参考序列的选择

3.2 基于不同参考序列的读段定位

3.3 不同甘蓝型油菜基因表达差异

3.4 不同类型甘蓝型油菜差异表达基因功能

3.5 不同类型油菜转座子的表达

4 分析与讨论

4.1 白菜型油菜与甘蓝型油菜的表达差异

4.2 不同基因组胁迫条件对甘蓝型油菜基因组结构的影响

4.3 不同基因组胁迫条件对甘蓝型油菜转座子活动的影响

参考文献

附录

致谢