二穗短柄草NBS-LRR基因家族的鉴定、表达和预测方法研究

摘要

植物通过其抗病基因编码抗病蛋白并触发抗病反应，这一机制是植物抗病的重要途径。其中，编码具有核苷酸结合位点及亮氨酸重复区（Nucleotide binding site and leucine rich repeat，NBS-LRR型抗病基因）蛋白结构域的基因是植物抗病基因家族中最大、最普遍的一类抗病基因。二穗短柄草是最近测序完成的模式植物，它与小麦、大麦、水稻及高粱在进化关系上相距较近，且与小麦的亲缘关系非常近，感染小麦的各类致病菌均能引起短柄草染病，因此研究短柄草的NBS-LRR抗病基因家族对培育小麦等粮食作物的抗病新品种具有重要意义。目前，短柄草中的NBS-LRR抗病基因的数目、基因结构、进化特征等都不明确。因此通过本研究解决如下三个问题：1）短柄草中存在NBS-LRR抗病基因吗？如果存在，它们的数量、基因结构、进化关系怎样？2）从短柄草中鉴定出的NBS-LRR抗病基因在环境胁迫下表达吗？能对特定外源致病菌的侵染作出抗病响应吗？3）NBS-LRR抗病基因家族的鉴定流程复杂且中间数据处理过程繁琐，能否设计并开发一项预测NBS-LRR抗病基因功能的算法？基于上面三个问题，开展了如下研究：
　　首先，选取二穗短柄草全基因组作为研究对象，使用生物信息学方法从其全基因组中鉴定出126个NBS-LRR抗病基因，并对该基因家族中各成员的基因结构、保守基序、基因复制事件、染色体分布、基因进化、启动子区元件及表达序列标签（Expressed Sequence Tag，EST）等方面进行了系统分析。研究结果表明，二穗短柄中的NBS-LRR基因具有物种特异性，其氨基端不具有TIR结构，根据其保守结构域将NBS-LRR基因分成4类，具有CNL结构的抗病基因占绝大多数（102个），二穗短柄中的NBS-LRR基因结构域与拟南芥相似，含有P-loop，Kinase-2，GLPL和MHDV等8种保守基序，在126个NBS抗病基因中发现了49个基因发生了基因复制事件，从染色体分布上发现这些抗病基因在染色体上分布不均，第2条和第4条染色体上成簇分布着大量的NBS-LRR基因，分析发现调控元件WBOX与NBS-LRR抗病基因密切相关，本研究是首次在二穗短柄草全基因组水平上对其NBS-LRR抗病基因进行鉴定和分析。
　　其次，利用国际公用数据库中基因芯片表达数据，对NBS-LRR基因在高温、低温、干旱、高盐胁迫及赤霉菌侵染环境下基因表达谱数据进行了全面分析。研究结果表明NBS-LRR基因在高温胁迫下表现较为活跃，而在低温环境下的表达变化不明显；在干旱和高盐环境下，抗病基因的表达出现了分化，分析表明干旱对植物抗病反应的影响较大，而高盐环境对抗病基因的影响相当较弱。在赤霉菌侵染下，NBS-LRR基因的抗病反应具有显著特异性，表明特定抗病基因可能参与特定的抗病反应。除此之外在表达谱分析过程中我们还获得了五个可能参与赤霉菌抗病反应的候选基因。
　　最后，为了便于生物学家对新测序与已测序物种NBS-LRR基因家族的批量鉴定，我们设计并开发了一种基于k-tuple伪氨基酸组成成分与支持向量机的NBS-LRR预测算法，该算法能快速对已有的蛋白质序列、核苷酸序列或者新测序的基因组进行NBS-LRR预测，方便生物学家对NBS-LRR基因家族的鉴定与后续功能研究。
　　综上所述，我们实现了对二穗短柄草的NBS-LRR抗病基因家族的鉴定和基于表达谱的生物信息学分析，设计并开发了基于k-tuple伪氨基酸组成成分与支持向量机的NBS-LRR预测算法；这些研究成果为后续植物中的抗病基因的分离与功能研究奠定了基础，同时也为生物学家进行NBS-LRR基因家族的全基因组功能与进化分析提供了技术支持。

目录

声明

1 绪 论

1.1 植物抗病基因概述

1.2 植物抗病基因研究中的生物信息学

1.3 常用生物信息学数据库和分析软件

1.4 本论文的技术线路图

1.5 本论文的主要内容

1.6 本论文的目的和意义

2 二穗短柄草抗病基因家族NBS-LRR的鉴定与生物信息学分析

2.1 引言及研究动机

2.2 数据与方法

2.3 结果与分析

2.4 讨论与小结

3 二穗短柄草NBS-LRR抗病基因家族的表达谱分析

3.1引言及研究动机

3.2基因表达谱分析的常用技术

3.3 实验数据的获取

3.4 结果与分析

3.5 讨论与小结

4 NBS-LRR基因家族预测算法的设计与应用

4.1 研究背景

4.2 方法与数据集

4.3 结果与分析

5 总结与展望

5.1 主要研究结果

5.2 创新点

5.3 展望

致谢

参考文献

附录1 缩略词简表

附录2 NBS-LRR抗病基因列表

附录3 NBS-LRR抗病基因的基因簇分布

附录4 氨基酸的部分理化性质简表

附录5 拟南芥中的正负样本序列列表

附录6 博士期间论文发表情况