白菜类作物基因组及重要农艺性状相关基因的生物信息学分析

摘要

白菜类作物为十字花科（Cruciferae）芸薹属（Brassica），主要含有三个亚种，即大白菜（B.rapa ssp.pekinensis）、不结球白菜（B.rapa ssp.chinensis）和芜菁（B.rapassp.rapa）。大白菜基因组测序的完成，为白菜类作物基因组重测序研究提供了重要的参考基因组。目前关于白菜类作物的基因组学研究相对滞后于其它模式植物，尤其是对白菜类作物组学的后续研究尚未开展。因此对白菜类作物进行系统的组学研究，并开发组学后续的研究方法显得尤为重要。本研究对白菜类作物进行了重测序，分析了白菜类作物间的进化关系以及叶缘发育机制;结合重测序数据对14个重要农艺性状进行了全基因组关联分析，并获得了大量与性状相关的基因;对3份材料五个重要的生长发育时期进行表达谱测序，获得了与生长发育时期相关基因的表达数据;通过对l份材料不同温度处理的转录组测序，获得了与耐冷扣耐热显著相关的基因;利用基因组信息，分析了大白菜几个重要的基因家族，并对其中的一些关键基因进行了表达验证。主要研究结果如下:
　　1.通过对129份白菜类作物进行了基因组重测序，鉴定了大量的单核苷酸多态性(SNPs)、插入/缺失和结构变异。通过FsT检测到20个与叶缘相关的候选基因，其中三个与数量性状位点重合并且与eQTL验证结果相吻合，包括BrCycD3、BrGRF2和BrAS1。此外，全基因组关联分析(GWAS)检测到17个与叶片发育相关的基因，其中有6个基因也与已知的QTL相重叠。通过这两种方法，检测到两个共有基因，即BrKAN3和BrAS1，它们均涉及叶形态分化。这两个基因不仅在FST区域含有大效应的变异，而且还包括通过GWAS鉴定出来的显著性SNP。
　　2.利用96份不结球白菜基因组重测序获得的SNP，结合14个重要农艺性状的表型数据，进行了全基因组关联分析。共获得了729个显著关联的信号，鉴定到的位点表型变异解释率约为45％。其中16个位点与叶缘和叶绿素含量有关，并且对鉴定到的重要候选基因进行了实时定量验证，发现6个基因与叶缘和叶绿素相关联。此外，还构建了不结球白菜第一个高密度的单体型图谱，以辅助全基因组关联分析。因此，本研究是在不结球白菜上第一次全面系统的进行全基因组关联分析，并建立了高效的全基因组关联分析平台。为白菜和其它园艺作物的遗传育种研究提供了丰富的基因资源。
　　3.鉴定了不结球白菜五个生长发育过程中的差异表达基因，通过这些基因表达量的变化来适应逆境，进而来研究植物适应逆境的机制。应用数字表达谱技术，在三份不结球白菜材料五个生长发育时期，发现上千个基因存在显著差异。通过比较分析和前人的研究报道，鉴定出了一些与晚抽薹、自交不亲和、耐冷和叶色相关的基因。并且利用qRT-PCR对两个与耐冷相关的基因进行了验证。为研究白菜类作物不同生长发育时期的基因表达提供了丰富的资源。
　　4.利用转录组测序对不结球白菜耐冷、耐热性进行全面系统的分析。共获得136，189条unigene，N50长度达到1，705 bp，总长为153.1Mb。分析表明，随着温度逐渐降低，只有少数基因表达量持续的下降或上升，而大多数基因的表达量没有发生显著的变化。共检测到14，329差异表达基因，它们至少在一种处理中存在显著差异。10个基因在所有处理中都显著差异表达，其中7个基因上调，3个下调。富集分析表明，共有25和33个基因分别在冷和热处理中得到显著富集。此外，还鉴定到了100，01个LncRNA，其中968，7个属于新的LncRNA，并且构建了LncRNA和蛋白质编码基因的共表达网络。这项研究系统全面的解析了不结球白菜的转录组，并为未来非生物胁迫下的白菜基因和基因组研究提供了宝贵资源。
　　5.对大白菜几个主要的基因家族进行了系统深入的研究，包括Hsf、AP2/ERF、bHLH、GRAS、NAC、CO和SNARE等。本研究以Hsf为例，来说明如何利用生物信息学手段，对基因家族进行系统深入的分析。在白菜里共鉴定了35个BrHsf基因，通过与拟南芥和水稻的系统发育树进行比较，将它们分为三组。其中有33个BrHsf基因定位到染色体上，并进一步分配到白菜的三个亚基因组和八个祖先核型。白菜和拟南芥有22个直系同源基因对，并且BrHsf基因的扩增主要源于基因组的三倍化事件。对比分析表明，在研究的五个物种中，白菜含有最多的Hsf基因。基于白菜的转录组数据，对BrHsf基因在六个不同组织的表达模式进行分析。定量分析表明，冷、热等多种非生物胁迫可以影响BrHsf基因的表达水平。本研究系统全面的分析了Hsf基因家族，对于了解Hsf转录因子在植物耐热性调控中的作用具有非常重要的意义。

目录

声明

摘要

缩略词表

前言

第一章 文献综述

1 测序技术的发展概况

1．1 第一、二代测序技术

1．2 第三、四代测序技术

1．3 目前常用测序技术的比较

2 植物基因组测序的研究进展

3 全基因组关联分析的相关进展

3．1 单核苷酸多态性

3．2 连锁不平衡

3．3 群体结构

3．4 全基因组关联分析

4 测序技术在植物表达方面研究中的进展

4．1 生物芯片技术

4．2 植物表达谱研究

4．3 植物转录组研究

5 转录因子家族研究进展

5．1 高等植物转录因子的分类

5．2 高等植物转录因子的功能

5．3 高等植物转录因子研究进展及展望

第二章 白菜类作物基因组重测序及叶缘相关基因的鉴定

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 白菜类作物基因组重测序和基因组变异特性分析

3．2 通过进化树对白菜类作物进行分类

3．3 三种叶缘白菜类作物基因组特征分析

3．4 三种叶缘白菜类作物的分化区域和候选基因的鉴定

3．5 白菜类作物叶缘性状的全基因组关联分析

4 结论

第三章 不结球白菜14个重要农艺性状的全基因组关联分析

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 SNP的鉴定及分析

3．2 群体结构和进化分析

3．3 14个农艺性状的全基因组关联分析

3．4 14个农艺性状的全基因组选择分析

4讨论

第四章 不结球白菜不同生长发育时期的表达谱分析

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 不结球白菜表达谱测序

3．2 差异表达基因的鉴定

3．3 差异表达基因的功能注释和代谢途径分析

3．4 开花时间相关基因的分析

3．5 耐冷相关基因的分析

3．6 自交不亲和相关基因的分析

3．7 叶色相关基因的分析

3．8 白菜和拟南芥共线块中差异基因的分析

4 讨论

第五章 不结球白菜温度响应基因的表达模式及与LncRNA的共表达分析

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 不结球白菜转录组测序和组装

3．2 功能注释和基因的分类

3．3 用于抗性育种的SNP和SSR标记的开发

3．4 温度调控基因表达模式的研究

3．5 不同处理间差异表达基因的鉴定及比较分析

3．6 利用GO和KEGG数据库进行差异表达基因的富集分析

3．7 差异表达转录因子的鉴定

3．8 不结球白菜中LncRNA的鉴定和特性分析

3．9 LncRNA表达模式的分析及差异表达LncRNA的鉴定

3．10 LncRNA与蛋白编码基因间共表达网络的构建

4 讨论

第六章 白菜类作物重要基因家族的起源、进化和表达模式的全基因组分析

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 试验方法

3 结果与分析

3．1 白菜Hsf基因的鉴定和保守结构域分析

3．2 Hsf基因的分类和进化分析

3．3 白菜Hsf基因在染色体上的定位和复制分析

3．4 直系和旁系同源Hsf基因的鉴定

3．5 白菜中Hsf基因在不同组织和处理中的表达分析

4 讨论

全文结论

创新点

参考文献

论文发表情况

致谢