海水红毛菜(Bangia fuscopurpurea OUCPt-01)与暗紫红毛菜(Bangia atropurpurea)细胞器基因组测序及系统发育分析

摘要

海水红毛菜（Bangia fuscopurpurea）与暗紫红毛菜（Bangia atropurpurea）同属于红藻门(Rhodophyta)、红藻纲(Rhodophyteae)、红毛菜亚纲(Bangiaphyci dae)、红毛菜目(Bangiles)、红毛菜科(Bangiaceae)。红毛菜科的系统分类与起源进化一直备受关注，而淡水与海水红毛菜的起源问题则是其中的焦点问题。迄今为止，对携带重要进化信息的红毛菜的细胞器基因组信息仍是一片空白。为了深入了解海水种与淡水种红毛菜细胞器基因组的结构与内容，探究淡水与海水红毛菜的进化与起源关系，本文利用二代高通量测序技术，结合多种拼接方法，首次测定了福建莆田海水红毛菜与山西娘子关暗紫红毛菜的细胞器基因组，并对其进行了比较基因组学与基因组系统进化分析，推断了红毛菜科藻类的物种分歧时间。
　　主要成果和结论如下:
　　(1)构建了红毛菜科细胞器基因组拼接流程。
　　(2)福建莆田海水红毛菜与山西娘子关暗紫红毛菜分别属于典型的海水红毛菜类群（'Bangia'2属）与淡水红毛菜类群（Bangia属）。
　　(3)福建莆田海水红毛菜（Bangia fuscopurpurea OUCPT-01）叶绿体与线粒体基因组大小分别为196，913 bp(GC含量:33.9％)，43，517 bp（GC含量:32.4％）。山西娘子关暗紫红毛菜叶绿体，与线粒体基因组大小分别为189，505 bp（GC含量:32.4％），35，679 bp（GC含量:30.9％）。两株红毛菜叶绿体基因组在rRNA操纵子数量（海水红毛菜有两个，淡水红毛菜则为一个）与基因间隔区存在长度差异。在基因内容方面，除orf个数与长度不同，其他编码基因内容一致。两叶绿体基因组呈高度共线性，相似性为86％。两株红毛菜线粒体基因组编码核心基因一致，但在内含子个数、位置、长度存在较大差异。其基因排列顺序也呈共线性。红毛菜科细胞器基因组中存在外源片段，可能是残存基因片段，也可能是外源DNA侵染;红毛菜科叶绿体基因组结构保守，呈高度共线性;红毛菜科线粒体基因组内含子多样化。
　　(4)建立了细胞器基因组序列比对文件构建的快速流程。
　　(5)发现红毛菜科叶绿体基因组tmRNA有较好的属间分辨能力，可以用来对红毛菜科进行系统分类学研究。对已测序红藻细胞器基因组进行了系统发育研究。结果显示，淡水红毛菜与Pophyra属有更近的亲缘关系。海水红毛菜与淡水红毛菜和Pophyra聚为一枝，而非与Pyropia聚为一枝，与Sutherland等研究结果有出入。
　　(6)推断红毛菜科物种分歧时间，发现红毛菜科物种分歧时间集中在泥盆纪至白垩纪，淡水红毛菜与Porphyra属的物种分歧时间处于二叠纪范围（期间发生古中国经海西运动，海陆交替）。结合基因组系统发生关系，推断山西娘子关暗紫红毛菜起源于海水红毛菜。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1 DNA测序技术发展与测序原理

2 细胞器基因组的分析方法与软件

2．1 细胞器基因组的拼接

2．2 细胞器基因组的注释

3 海水与淡水红毛菜系统分类学的研究进展

4 本论文的研究目的及意义

第二章 暗紫红毛菜DNA的提取、高通量测序、组装、注释及分子鉴定

1 前言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 总DNA的提取

2．3 DNA建库及高通量测序

2．4 两株红毛菜细胞器组装

2．5 基因组SNP发掘与序列校正

2．6 细胞器基因组注释

2．7 两株红毛菜分类类群的分子鉴定

3 结果

3．1 总DNA的电泳检测

3．2 总DNA Qubit定量检测

3．3 Caliper文库检测

3．4 测序数据报告

3．5 拼接结果

3．6 细胞器基因组特征

3．7 基因组SNP检测结果

3．8 两株红毛菜分类类群的分子鉴定

第三章 红毛菜目细胞器基因系统发育分析及分歧时间推断

1 已测序红毛菜科细胞器基因组系统发育分析

1．1 红藻叶绿体基因组重要的非编码RNA——tmRNA

1．2 基于全细胞器基因组保守序列的快速构建比对文件方法

1．3 全细胞器基因组比对序列构建结果

1．4 系统发育分析

2 红毛菜科藻类进化分歧时间推断

2．1 使用软件与方法

2．2 分歧时间推断结果

3 淡水红毛菜的起源与进化

4 讨论

参考文献

致谢