CCDD基因组野生稻淀粉合成途径关键编码基因的分子进化

摘要

淀粉不仅是我们日常饮食的重要组成部分，也是一种重要的商业产品，在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。淀粉分为直链淀粉和支链淀粉，它们在水稻胚乳中的比率影响着淀粉的口感、粘性、糊化特性和回生性。高直链低支链淀粉一般具有较高的商业用途，而低直链高支链淀粉在食用方面有更广阔的应用前景。近年来，利用基因手段改变淀粉的理化性质成为一个新的发展趋势。
　　CCDD基因组异源四倍体野生稻是稻属中基因组发生倍增的物种，植株高大，蕴含着丰富的遗传信息，是栽培稻遗传育种的有益种质资源。为了解典型代谢途径在多倍体中的倍增规律，我们选取了野生稻中具CCDD基因组的三个物种O.alta、O.grandiglumis和O.latifolia以及两个亲缘关系较近的二倍体物种O.officinalis和O.australiensis作为研究材料。由于水稻淀粉合成途径的研究背景清晰，因此本研究即以此为切入点来研究在相同代谢途径下不同基因的进化模式。我们选取了支链淀粉合成过程中的五个关键酶，即焦磷酸化酶大亚基（AGPL2），焦磷酸化酶小亚基（AGPS2b），淀粉分支酶（SBEIIb），淀粉合成酶（SSIIa）和淀粉异构酶（ISA1）作为研究对象，研究结果如下：
　　1．本研究通过PCR方法从稻属具CCDD基因组的三个物种中成功扩增到5个酶编码基因的部分序列，并通过分子克隆和测序将C、D基因组倍增组分分开。结果表明，3个基因（AGPL2、SSIIa和ISA1）在多倍体内存在倍增现象，2个基因以不同进化方式保留了1个亲本基因组类型，其中AGPS2b基因在三个多倍体物种中仅保留了C基因组序列类型，而 SBEIIb基因在大颖野生稻（O.grandiglumis）中只保留了D基因组类型，在高杆野生稻（O.alta）和阔叶野生稻（O.latifolia）中却只保留了C基因组类型。另外对于发生倍增的3个基因，其相同倍增组分的种间核苷酸分歧水平不大（θw=0.00000~0.00986）；但不同倍增组分之间的核苷酸变异水平在不同基因中并不一致。其中，ISA1和SSIIa基因的C基因组类型的序列多态水平分别是D基因组类型序列的1.5倍和6倍，而AGPL2基因则是D基因组类型的序列多态水平比C基因组类型序列高1.6倍。
　　2．通过对4个基因AGPL2、AGPS2b、ISA1和SSIIa的编码蛋白质序列的选择压力检测，发现AGPL2、AGPS2b、ISA1都受到了净化选择，而SSIIa受到明显的正选择。此外，AGPL2和SSIIa的C基因组和D基因组倍增基因受到的净化压力不一致，但是ISA1两个基因组类型序列的ω值相等。

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第一部分 综述

1.1淀粉合成的生物学基础

1.2 CCDD基因组野生稻概述

第二部分 实验材料和方法

2 .1植物材料

2 .2 实验方法

2.2.1总DNA提取

2.2.2 PCR扩增和纯化回收

2.2.4 菌落PCR

2 .3 实验结果和数据处理

2.3.1 总DNA的提取、PCR扩增、菌落PCR和DNA测序

第三部分 五个淀粉合成酶基因在稻属多倍体中的分子进化

3.1 AGPL2基因序列分析

3.1.2 AGPL2基因序列特点

3.2 SSIIa基因序列

3.2.1 基因序列特点

3.2.2 核苷酸多态性

3.3 ISA1基因序列

3.4 SBEIIb基因序列和AGPS2b基因序列

第四部分 分析和讨论

参考文献

致谢