地黄属五种植物的比较转录组研究

摘要

地黄属包括5种多年生草本植物，茄叶地黄(Rehmannia solanifolia)、地黄（R.glutinosa）是四倍体物种，天目地黄（R.chingii）、湖北地黄(R.henryi)、裂叶地黄(R.piasezkii)是二倍体物种。属内的5个种除了地黄分布达朝鲜半岛和日本之外，其它都属于中国的特有植物。之前虽然已有大量形态、生化和分子标记的方法对地黄属种间关系进行了研究，但多种方法的研究结论不完全一致，其种间关系仍待澄清，而且仅依赖少数基因位点分析解决问题的能力有限，要揭示地黄属物种在进化过程中基因组结构是否发生变化、潜在的选择作用，以及有用药效成分的代谢通路调控，需要基因组层面的相关研究。鉴于此，本研究基于转录组技术，以地黄属五种植物的根、花、叶为材料进行IlluminateHiSeqTM2000测序组装，对地黄属五个种根、花、叶的unigene合并去冗余，以方便地黄属种间的比较转录组分析，获得天目地黄的unigene总数是88，719条，平均长度为687nt，N50长度1，230nt;湖北地黄unigene总数是82，843条，平均长度698nt，N50长度1，246nt;茄叶地黄unigene总数是72，494条，平均长度718nt，N50长度1，373nt;地黄unigene总数是85，860条，平均长度690nt，N50长度1，213nt;裂叶地黄unigene总数是92，205条，平均长度为677nt，N50长度1，202nt;将五个种unigene聚类去冗余，以方便地黄属植物和其他种属进行比较分析，获得unigene数有302，588条，平均长度713nt，N50长度1，305nt，将组装好的unigene在Nr，GO，KEGG，COG等数据库中进行比对，以完成基因功能注释，了解地黄属植物相关的药用代谢通路，为找寻关键的代谢靶点并开发与地黄属重要药用性状相关的SSR和SNP分子标记，提供基础信息。
　　通过地黄属五个种根、花、叶的转录组数据合并去冗余，筛选其直系同源基因，将之用于系统进化树的构建，研究地黄属植物五个物种间的系统亲缘关系，发现二倍体裂叶地黄处在地黄属的基部，二倍体天目地黄和湖北地黄构成姐妹类群，四倍体地黄和茄叶地黄聚成姐妹类群。
　　在生物分子进化分析中，利用Ka/Ks比值作为蛋白编码基因是否受到自然选择压力的指标，分析结果表明，地黄和其他四个物种的比对中，受纯化选择和受正向选择的直系同源基因数目都相近，只有四倍体地黄和茄叶地黄间受到纯化选择的直系同源基因较多，这也从另一角度表明，这两个物种在进化过程中亲缘关系较近。
　　地黄属五种植物，根部差异表达的基因数据比对分析，发现甘露糖基转移酶基因在地黄和茄叶地黄中均表达上调，而在天目地黄，湖北地黄和裂叶地黄中均表达下调。这充分说明，四倍体地黄和茄叶地黄在染色体加倍的进化过程中，甘露糖的相关代谢强度增加，根中的甘露糖含量可能也有所增加。这种基因差异性表达与地黄根表型性状差异相一致。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 转录组研究技术

1．1．1 组学

1．1．2 转录组

1．1．3 测序技术平台

1．1．4 RNA-seq技术

1．1．5 RNA-Seq技术的优势

1．1．7 RNA-Seq技术的主要用途

1．2 地黄属植物的研究

1．3 地黄属研究存在的问题

1．4 本论文研究的内容及意义

第二章 基于Illumina测序技术对地黄属的转录组研究

2．1 材料

2．2 方法

2．2．1 RNA的提取

2．2．2 RNA的纯化

2．3 cDNA文库的建立和测序

2．4 原始数据过滤

2．5 序列组装

2．6 基因注释和挖掘

2．6．3 All-Unigene的KEGG分类

2．6．5 预测编码蛋白框(CDS)

2．7 Unigene的表达差异分析

2．8 地黄属植物基因功能的适应性进化分析

3．1 数据产出

3．2 序列功能注释与基因功能分类

3．2．2 All-Unigene在GO数据库的功能注释

3．2．3 All-Unigene在KEGG数据库的功能注释

3．2．4 All-Unigene在COG数据库的功能注释

3．2．5 编码蛋白框(CDS)预测

3．3 SSR在转录组中的分布特点

3．4 SNP分析

3．5 系统进化分析

3．6 Unigene的差异表达分析

3．6．1 四倍体种和二倍体种根部转录组Unigene的差异表达

3．6．2 差异表达基因的GO和KEGG分析

3．6．3 地黄属五种植物根中差异表达萜类和苷类基因的分析

3．6．4 地黄根、花、叶中差异表达萜类和苷类基因的分析

3．6．5 甘露糖相关代谢的差异表达

3．7 地黄属植物物种间基因功能的适应性分化

第四章 讨论

4．1 地黄属的遗传分化关系研究

4．2 转录组分析药用成分相关代谢

4．3 转录组分析可开发地黄属重要的SSR和SNP分子标记

主要结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢