基因组重测序作物的新转座子鉴定及特征分析

摘要

转座子是基因组中能移动自身位置的一段DNA序列，也是作物基因组的重要组成部分，它在染色体结构、基因组大小、基因组重排、新基因生成和基因表达调控等方面扮演着重要的角色，在分子生物学研究中被广泛应用于基因的分离鉴定和功能研究等。近年来，随着测序技术的发展，越来越多的生物基因组序列被测定，为从基因组水平进行转座子的鉴定、分类、注释等提供了便利。本研究利用水稻，玉米和高粱合计125个材料的基因组重测序数据，采用双末端短序列比对基因组和转座子库的方法，鉴定各材料中的新转座子，并进行基因组水平的特征分析，以明确不同作物和材料中新鉴定转座子的类型、分布和插入规律等，研究的主要结果如下:
　　1分析水稻、玉米和高粱参考基因组已注释的转座子发现，转座子在作物间存在较大差异。水稻中转座子长度占基因组总长度的37％，玉米为76％，高粱为58％。同时各作物内部的转座子序列间也存在较大差异，水稻DNA转座子间的序列差异度最大。
　　2基于基因组重测序数据鉴定水稻、玉米和高粱各材料中的转座子，平均每个材料新鉴定获得的转座子为261个，796个和793个，当测序深度大于6X时，新鉴定的转座子数量与测序深度没有显著的相关性。
　　3作物之间新鉴定转座子的类别存在差异。从转座子的一级分类来看，水稻参考基因组中的DNA转座子较多，新鉴定的转座子中LTR类型较多;玉米和高粱参考基因组中LTR数量较多，新鉴定转座子中的DNA类型偏多。从转座子的二级分类来看，同一作物不同群体间的差异并不显著，仅有少数类型的转座子在群体间有明显差异。通过比较各种类转座子的RPKM值发现，在高粱各材料中转座子类型的相关性较显著。
　　4对新鉴定转座子的插入位置分析发现，在高粱和玉米中，新预测转座子与基因数量在染色体上的分布存在显著的相关性，平均相关系数分别为0.88和0.67，进一步分析新鉴定转座子插入位点与相邻基因的距离，发现在玉米和高粱中新鉴定的转座子的插入更靠近基因的区域。而在水稻中，新鉴定的转座子相对于玉米和高粱而言，有更高的比例插入到基因编码区。
　　5受新鉴定转座子插入影响基因的功能注释。Interptro注释结果显示大部分受到新鉴定转座子的影响的基因与蛋白激酶相关。GO富集结果显示，在水稻、玉米和高粱中的富集基因的编码产物具有ATP结合位点，蛋白质氨基酸的磷酸化，蛋白激酶活性以及参与细胞凋亡，且在水稻和玉米中受影响基因功能还富集到防御反应。三种作物受转座子插入影响的基因的功能高度相似，推测基因组内转座子的插入并非随机的，作物可能通过转座子插入到特定的基因的特定位置来调节基因表达或影响基因功能，从而实现细胞内的信号转导和防御反应发生，提高作物对不良环境的适应性。
　　本研究首次开展了水稻、玉米和高粱各重测序材料基因组新转座子的鉴定、分类和比较分析，揭示了不同作物，或同一作物不同群体的新鉴定转座子插入差异和特征。研究结果不仅有助于了解作物基因组组成和解析基因功能，也为通过转座子深入开展作物进化，尤其是物种内部的进化和适应性进化等提供新的思路。

目录

声明

摘要

1．文献综述

1．1 水稻、玉米和高粱基因组测序概况

1．2 转座子及其分类

1．3 转座子与植物基因进化

1．4 转座子的应用

1．5 全基因组转座子研究进展

1．6 本研究的目的、意义

2．数据和方法

2．1 数据来源

2．1．1 重测序数据以及SNPs数据

2．1．2 转座子数据

2．1．3 参考基因组以及注释版本

2．2 基因组新转座子的鉴定流程

2．2．1 分析参考基因组已有的转座子

2．2．2 短序列比对

2．2．3 鉴定新转座子

2．3 新鉴定转座子的全基因组特征分析

2．3．1 转座子分类

2．3．2 RPKM计算

2．3．3 染色体分布

2．3．4 基因功能注释

3．结果

3．1 水稻、玉米和高粱参考基因组的转座子

3．2 基于作物重测序数据预测新转座子

3．3 新鉴定的转座子在不同材料之间的共享

3．4 作物中新鉴定转座子的分类

3．4．1 新鉴定转座子的一级分类

3．4．2 新鉴定转座子的二级分类

3．4．3 新鉴定的转座子种类的RPKM值分析

3．5 作物中新鉴定的转座子的染色体分布

3．6 作物中新鉴定的转座子插入对基因的影响

3．7 受新鉴定转座子影响基因的功能注释

4．讨论

4．1 基于重测序数据新鉴定基因组中的转座子

4．2 不同作物之间的转座子差异

4．3 同一作物不同群体之间的新鉴定转座子差异

4．4 作物中新鉴定的转座子对基因的影响

5．附件

参考文献

致谢