植物细胞器基因组测序,组装及比较基因组学研究

摘要

植物的细胞器（叶绿体和线粒体）基因组序列为研究植物分子生态及进化提供了重要的资源和信息。随着DNA高通量测序技术的发展，越来越多的植物全基因组被测序。然而，由于植物的细胞器基因组DNA难于和核基因组DNA分离，这使植物中单独分离纯化细胞器DNA测序变的非常麻烦、困难及耗时长。因此，能从植物全基因组测序数据中组装叶绿体及线粒体基因组变的非常重要。
　　 本论文报道了我们基于罗氏454测序平台开发的一种新的快速的叶绿体及线粒体基因组测序及组装流程。其原理是根据植物细胞中通常含有多个拷贝的细胞器基因组，并且其拷贝数与全基因组测序数据组装成的一致性序列(contig)覆盖度成正相关。通过分离不同覆盖度的contig并结合罗氏454测序数据组装特点，能快速的组装成完整的植物叶绿体和线粒体基因组序列。这种流程不需要分离任何的细胞器DNA，并且测序得到的数据绝大部分能用于后续植物的全基因组测序计划。此外，该流程基因组组装方法能解决用传统方法组装线粒体面临的复杂多环结构的问题。利用该流程，我们测序得到了复苏植物牛耳草（Boeahygrometrica）和沙特阿拉伯水稻（Hassawi rice）及其杂交稻中叶绿体及线粒体全基因组序列，从而证明了该方法的有效性。
　　 本论文对复苏植物牛耳草的叶绿体及线粒体进行了基因组学分析，并与其它不同进化地位的植物进行了比较基因组学分析。牛耳草叶绿体及线粒体基因组大小分别为153，493 bp和510，519 bp。牛耳草叶绿体基因组编码了147个基因，其编码区占整个基因组72％，而牛耳草线粒体基因组只有12％的编码区编码65个已知基因。与其它被子植物相似，牛耳草叶绿体基因组具有典型的四部分结构，并且每部分含有基因都比较保守。牛耳草线粒体基因组具有三个重组的重复序列，其长度分别为222 bp、843 bp和1474 bp。这三个重复序列导致其基因组分为一个主环(MC)及4个异构分子。与其它被子植物比较，牛耳草线粒体基因组最大特点在于存在更为频繁的叶绿体基因组片段转移进线粒体事件。另外，我们比较分析了不同植物叶绿体及线粒体基因组的特征和基因的组织结构及分布，为理解植物细胞器基因组进化提供更多线索。同时，被子植物线粒体基因组中发现的叶绿体来源的片段(cp-derived sequences)包括tRNAs等分析，进一步支持了植物细胞器中频繁基因转移事件可能起源于早期陆地植物系。
　　 最后，本论文对测序组装得到的野生型沙特阿拉伯水稻（Hassawi-1）及其杂交稻（Hassawi-2）的叶绿体及其线粒体全基因组进行了比较分析。分析发现，沙特阿拉伯水稻的叶绿体和粳稻日本晴及籼稻93-11很相近。其基因结构，顺序及大小都很保守。然而沙特阿拉伯水稻的线粒体基因组和其它品种却相差很大。比较野生型沙特阿拉伯水稻及其杂交稻，叶绿体基因组存在16个InDel(Insertion和Deletion)，而其线粒体基因组存在48个InDel、26个SNP及一种新的变异成为反向互补序列变异(RCV)。Hassawi-1与籼稻93-11线粒体基因组之间存在2个RCV变异，而Hassawi-1与粳稻日本晴线粒体基因组之间存在4个RCV变异。微卫星序列(SSR)特征比较分析显示与其它水稻品种相比，Hassawi水稻叶绿体及线粒体基因组存在更多的SSR序列在基因区域。Hassawi水稻的线粒体基因组中存在较多的重复序列，并导致线粒体基因组的重排。在Hassawi-1及Hassawi-2水稻线粒体基因组中发现最长的重复序列分别为96，168 bp及96，165bp。我们推测这种基因组重排的机制可能与沙特环境压-力下维持Hassawi水稻的稳定性有关。通过野生型沙特阿拉伯水稻及其杂交稻细胞器基因组的变异分析，并且结合该水稻的遗传育种等信息，我们推测Hassawi水稻可能来源于印度尼西亚的Peta品种。这些分析对将来Hassawi水稻的分子遗传及育种研究提供了重要的遗传背景。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 DNA测序技术

1．2．1 DNA测序技术的发展

1．2．2 DNA测序原理

1．2．3 第三代DNA测序技术

1．2．4 DNA测序成本

1．3 植物细胞器基因组学研究

1．3．1 植物细胞器起源、结构及其功能

1．3．2 叶绿体基因组结构及其特点

1．3．3 线粒体基因组结构及其特点

1．3．4 植物细胞器基因组片段转移

1．3．5 植物细胞器基因组进化

1．3．6 植物细胞器在植物系统发育研究中的应用

1．4 植物细胞器基因组测序方法

1．4．1 植物细胞器基因组测序现状

1．4．2 植物细胞器基因组测序方法

1．4．3 新一代测序技术在植物细胞器中应用

第二章 454测序平台在植物细胞器基因组学中应用

2．1 454测序平台及组装特点

2．2 植物细胞器基因组测序组装流程

2．3 牛耳草454及SOLiD平台测序数据

2．4 牛耳革全基因组组装

2．5 牛耳草叶绿体基因组的组装

2．6 牛耳草线粒体基因组的组装

2．7 植物细胞器叶绿体及线粒体最小测序量

第三章 牛耳草细胞器比较基因组学研究

3．1 牛耳草研究背景

3．2 牛耳草叶绿体基因组特征

3．3 牛耳草线粒体基因组特征

3．4 牛耳草线粒体基因组结构动态性

3．5 牛耳草在植物中的进化位置

3．6 植物叶绿体比较基因组研究

3．7 植物线粒体比较基因组研究

3．8 植物叶绿体基因组片段转移至线粒体基因组

3．9 植物叶绿体基因组tRNA转移至线粒体基因组

3．10 植物细胞器基因组进化过程中基因的获取与丢失

第四章 沙特阿拉伯水稻细胞器基因组测序及分析

4．1 沙特阿拉伯水稻全基因测序数据

4．2 沙特阿拉伯水稻细胞器基因组组装

4．3 沙特阿拉伯水稻细胞器基因组特征

4．4 沙特阿拉伯水稻叶绿基因组变异

4．5 沙特阿拉伯水稻叶绿体基因组反向互补序列变异(RCV)

4．6 沙特阿拉伯水稻线粒体基因组变异

4．7 沙特阿拉伯水稻线粒体DNA重组

4．8 沙特阿拉伯水稻细胞器基因组中微卫星序列

4．9 沙特阿拉伯水稻起源

参考文献

附表一：牛耳草叶绿体及线粒体基因组基因种类

附表二：15种植物线粒体基因及其特征比较

附表三：牛耳草线粒体基因组中种内单核苷酸多态性

附表四：本研究中叶绿体及线粒体比较的15种植物信息

附录五：12种植物叶绿体基因及其特征比较

附录六：牛耳草线粒体基因组中cp-derived序列对比

附表七：11种植物中叶绿体及线粒体基因组tRNA比较

附表八：发表论文