基于基因组重测序的玉米温热带自交系转座子特征分析

摘要

转座子普遍存在于所有物种的基因组中。可移动的转座子可能引起基因突变、基因断裂甚至染色体重排等。同时转座子的转座活性也是生物遗传多样性形成的重要因素之一，对基因组有重要影响。转座子在帮助有机体适应胁迫环境中具有重要作用，它不仅能够直接调控个体基因表达，还能提供遗传变异的基础，从而帮助有机体创造压力诱导型的全局调控网络。玉米作为世界重要的粮食作物之一，也是研究遗传和进化的模式作物。转座子占其基因组序列组成的85％以上，因此对玉米转座子的研究显得尤为重要。本研究拟通过对84份温带和热带玉米自交系进行全基因组重测序，利用RepeatMasker等生物信息学软件，分析了B73中各个家族的转座子数量及分布。结合不同类型转座子序列特征，鉴定了84份玉米自交系基因组中非B73中所有的转座子，称之为新鉴定的转座子。该研究比较了温、热带玉米自交系群体中转座子类型、数量和分布差异，并通过温、热材料间特有转座子邻近基因的代谢通路分析和GO分析，揭示温、热带玉米自交系特有转座子在环境适应性中的重要作用，有助于探究转座子在玉米适应不同环境条件下插入差异及玉米转座子的驯化趋势，揭示玉米在环境适应性方面转座子的重要贡献，为进一步分析转座子是如何促进基因组进化和调控有重要意义，并提供新的思路。主要研究结果如下:
　　1.玉米各自交系中反转录转座子含量最高，达基因组序列70％以上。反转录转座子中的Gypsy超家族和Copia超家族含量占其中90％以上。但这两类转座子分布方式却截然不同。Gypsy类转座子越靠近着丝粒位置，插入频率越高。而Copia类转座子分布情况与之相反。此外，玉米基因组中DNA类转座子含量相对较少，其分布与重组率呈正相关性(r=0.522，P＜0.01)。
　　2.通过对温、热自交系转座子插入位点的比较发现，温带材料新鉴定的转座子总数为219，782个，分布于79，073个位点;热带材料新鉴定的转座子总数为461，003个，分布于142，292个位点。在温带材料中，平均每份材料有6，868个新鉴定的转座子，低于在热带材料中所检测个数（平均8，865个）。同时，新鉴定的转座子中LTR类反转座子的比例为91.93％，而DNA类转座子为2.74％。可以看出，在新鉴定的插入转座子中LTR类反转录转座子转座频率高于DNA类转座子。
　　3.无论在温带材料还是热带材料，新鉴定转座子均主要分布在染色体两端，这些转座子高频插入区域称为热点区域。通过热点区域新鉴定转座子位点的聚类分析，84份玉米自交系聚类结果与地域来源一致，即温带和热带材料各自聚为一类。通过分析不同群体中转座子插入位点与邻近基因的距离发现温带材料中插入到基因内部的转座子比例高于热带材料，而转座子到临近基因的距离上差异不显著。
　　4.温、热带自交系中特异的新鉴定转座子其邻近基因在功能上具显著差异。温带自交系中新鉴定转座子邻近基因在有害物质的降解，异生物质代谢等基因GO功能分类中富集程度显著高于热带自交系。此外，温带自交系中所检测到的特异转座子插入位点位于抗寒基因上游，而热带群体中并未检测到。热带自交系中新鉴定转座子附近关于氨基糖和核苷糖代谢、核苷酸合成等合成代谢途径的基因数量高于温带自交系，而调控果糖、甘露糖和半乳糖代谢、抗坏血酸代谢方面基因中，新鉴定转座子仅存在于热带自交系中，这些结果证明转座子在玉米适应不同生态环境中的重要作用。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 转座子扩增对基因组大小和结构的影响

1．1．1 转座子影响基因组大小

1．1．2 转座子介导的染色体重排

1．2 转座子介导压力响应机制和生物体对环境改变的遗传适应性

1．2．1 转座子激活响应环境应答

1．2．2 转座子对环境适应性的影响

1．3 转座子的驯化

1．3．1 转座子驯化的揭示

1．3．2 驯化转座元件的结构多样性

1．3．3 完整转座酶基因和其他功能域相融合后产生的嵌合基因

1．3．4 转座子来源的功能基因的进化机制

1．3．5 转座子来源的功能基因在多样的生物学过程中的功能角色

2 研究目的与意义

3 材料与方法

3．1 研究材料与软件

3．1．1 植物材料、基因组序列和SNPs数据

3．1．2 主要软件及公共分析平台

3．2 研究方法

3．2．1 B73基因组转座子扫描和分析

3．2．2 非参考基因组非冗余转座子的鉴定

3．2．3 参考基因组重组率计算

3．2．4 不同自交系转座子数量统计和分类

3．2．5 转座子分布特征分析

3．2．6 新鉴定转座子聚类分析

3．2．7 受转座子影响基因的KEGG分析和WEGO聚类

4 结果与分析

4．1 玉米自交系中非参考基因组转座子的扫描

4．2 不同类型转座子的分布特征

4．3 新鉴定转座子的聚类分析

4．4 新鉴定转座子在温、热带自交系间分布差异

4．5 新鉴定转座子对邻近基因功能分析

5 讨论

5．1 转座子插入偏好性与基因组重组

5．2 不同地理来源玉米材料中转座元件对环境适应性的影响

5．3 转座子对下游基因的调控作用

参考文献

7 附件

致谢