【摘要】：了解由共同祖先分化而來的各個物種間的遺傳差異是研究物種進(jìn)化、遺傳育種等方面生物學(xué)問題的重要途徑。隨著遺傳數(shù)據(jù)資源的日益豐富,近源物種間大量存在的遺傳分化和功能變異及其對表型的影響逐漸受到研究者的關(guān)注。雖然容易觀測物種間表型特征差異,但目前仍很難斷定物種進(jìn)化過程中產(chǎn)生的大量遺傳變異在多大程度上如何影響著物種的分化及表型變異。本研究以遺傳信息豐富的禾本科作物為研究對象,從比較轉(zhuǎn)錄組和比較共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的角度分析了玉米和高粱兩個近源物種間不同組織類型和發(fā)育階段的基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式;并深入比較分析了玉米、高粱和谷子間單一組織葉片中一系列連續(xù)時間點上的節(jié)律基因的表達(dá)模式和轉(zhuǎn)錄調(diào)控規(guī)律,在分子水平上初步了解了物種間基因表達(dá)和轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程的保守性與差異性;以及通過不同馴化階段中的并行馴化基因的比較研究揭示了在作物馴化過程中近源物種間控制馴化性狀基因的非并行選擇模式;最后通過群體比較分析以及開發(fā)新算法更有效地對群體間非冗余轉(zhuǎn)座子(NRTE)插入位點多態(tài)性以及物種間保守非編碼序列(CNS)進(jìn)行了鑒定,并分析了這些調(diào)控元件對于基因表達(dá)的影響。這些跨物種的基因表達(dá)調(diào)控和馴化選擇方面的比較分析對于追溯物種起源、推斷其進(jìn)化歷程以及揭示其環(huán)境適應(yīng)機(jī)制等都具有重要的意義。結(jié)合特定作物的表型數(shù)據(jù),這些比較分析將會為作物的分子育種以及培育高質(zhì)量農(nóng)藝性狀的農(nóng)作物品種提供重要的信息。具體結(jié)果如下。(1)玉米和高粱組織間基因表達(dá)模式的比較分析。本研究首先整合包括葉片、花器官和種子等多個發(fā)育階段和組織器官在內(nèi)的60個玉米組織和40個高粱組織的轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù),在轉(zhuǎn)錄組水平上比較了兩個物種多個生長發(fā)育階段的組織器官的基因表達(dá)規(guī)律�；诠脖磉_(dá)基因網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,鑒定了兩個物種中表達(dá)水平保守的共線性基因集,挖掘了與組織器官相關(guān)的基因特異表達(dá)模塊并進(jìn)行了基因功能注釋和富集。比較兩個物種間基因網(wǎng)絡(luò),以直系同源共線性基因為基礎(chǔ),利用一個物種的基因聚類信息將另一物種的基因模塊劃分為多個基因功能更分化的亞模塊,從而進(jìn)行更為精確的基因功能預(yù)測和基因調(diào)控關(guān)系分析。結(jié)果表明,在通過基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)得到的基因模塊中,基因的表達(dá)在玉米和高粱中均具有組織特異性,且兩物種間大約30%的共線性基因表現(xiàn)出一致表達(dá)模式。同時,通過玉米和高粱間基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的比較,鑒定到多個保守的基因表達(dá)模塊及其保守的轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系。本研究還發(fā)現(xiàn)在玉米亞基因組間有48.5%的雙拷貝基因具有相同的基因表達(dá)模式,且顯著富集在相同的基因共表達(dá)模塊中。直系同源共線性基因及玉米亞基因組旁系同源基因間表達(dá)模式具有較高的保守性,這些基因網(wǎng)絡(luò)中保守的基因與基因間的調(diào)控關(guān)系將為其它物種復(fù)雜的功能基因組和基因翻譯提供初始框架,所鑒定的組織特異性和相同表達(dá)模式基因的功能特征將為傳統(tǒng)的基因功能富集研究提供新的視角。(2)玉米、高粱和谷子節(jié)律基因表達(dá)模式的比較分析。生物鐘是決定生物各種生理活動周期性波動的核心驅(qū)動力,這種內(nèi)在的節(jié)律使生物適應(yīng)外界環(huán)境的變化,如晝夜交替和四季的變化。本研究開展了72個小時內(nèi)每間隔3小時連續(xù)植物葉片取樣并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序,對高粱、玉米和谷子三個物種中基因的晝夜節(jié)律表達(dá)規(guī)律進(jìn)行了比較,并根據(jù)三個物種間生物節(jié)律調(diào)控基因一致的表達(dá)模式,挖掘了近源物種中節(jié)律基因啟動子中共同的保守轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件。結(jié)果表明,高粱、玉米和谷子間大約1/3基因的表達(dá)呈現(xiàn)出一致的晝夜節(jié)律且三個物種在夜間基因表達(dá)的數(shù)量均多于白天,各物種中共線性節(jié)律基因峰值表達(dá)均在黎明和黃昏時段數(shù)量最多。利用K-means方法的基因聚類,共聚類到16個基因模塊代表了所有的節(jié)律基因在24小時周期內(nèi)表達(dá)模式,并發(fā)現(xiàn)那些與糖和淀粉合成相關(guān)的節(jié)律基因的表達(dá)峰值出現(xiàn)在夜間,而光合作用相關(guān)基因的表達(dá)峰值出現(xiàn)在日出以后。結(jié)合三個物種間節(jié)律基因表達(dá)的基本規(guī)律,本研究利用CMH檢驗搜尋了每個模塊中基因啟動子區(qū)域的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件,并鑒定到大量長度為6-8 bp的轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件,其中包含兩個與傍晚基因相關(guān)的調(diào)控元件CBS和EE均顯著富集在黃昏時分峰值表達(dá)的基因模塊中。本研究通過對高粱、玉米的谷子中共線性基因的晝夜節(jié)律研究,發(fā)現(xiàn)近源物種間晝夜節(jié)律基因的表達(dá)和調(diào)控都趨于保守,而那些在某個物種中表現(xiàn)出不同表達(dá)模式的共線性基因可能與其生長環(huán)境或外界刺激相關(guān)。本研究結(jié)果為揭示與許多重要性狀相關(guān)的生物節(jié)律基因的調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。(3)玉米和高粱表型并行選擇背后的分子機(jī)制的比較分析。除了存在基因表達(dá)與轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列上的遺傳變異,物種間基因結(jié)構(gòu)與功能的分化在很大程度上也受到遺傳漂變或穩(wěn)定選擇作用的影響,比如現(xiàn)代作物中的優(yōu)良性狀往往與長期馴化過程的人工選擇有關(guān)。人類活動的干預(yù)使得野生的禾本科植物逐漸演化出符合人類生產(chǎn)活動和食物需求的有利性狀,并且這些人類需求導(dǎo)致了不同的物種中出現(xiàn)了相同的馴化表型特征。分子水平上,物種間這種并行的表型變異既可能是物種間的直系同源基因受到相同選擇的結(jié)果,也有可能由于非同源基因受到相似的外界環(huán)境影響發(fā)生序列或功能上的變異達(dá)到異曲同工的作用。為探索馴化表型相關(guān)的人工選擇作用在禾本科作物的直系同源基因的頻率,本研究基于玉米和高粱兩個物種的野生種、地方種和改良種群體材料的全基因組重測序數(shù)據(jù)搜尋和鑒定了各個物種中在馴化和改良階段受到人工選擇的候選基因,并進(jìn)一步統(tǒng)計分析了兩個物種間受到并行選擇作用的基因。玉米和高粱中鑒定到的受到并行選擇的候選基因中包含了多個已知的通過傳統(tǒng)QTL作圖等方法鑒定到的“經(jīng)典”馴化相關(guān)基因。然而,在整體水平上,兩個物種間受到并行選擇的基因總數(shù)在統(tǒng)計學(xué)上并沒有顯著富集。另外,比較研究發(fā)現(xiàn)兩個物種間保守的直系同源基因相對于非直系同源基因來說更有可能成為馴化選擇作用的對象,且在玉米的兩個亞基因組間同樣也鑒定到了具有偏好性的基因馴化選擇信號。本研究表明,雖然在兩個物種的馴化和改良過程中有少數(shù)的控制馴化性狀的主效基因在物種間受到并行選擇,兩個物種間受到馴化選擇的基因并沒有出現(xiàn)大顯著的重合,推測這些表型性狀可能由多個微效基因控制,它們以各自相對獨立的不同的基因變異塑造出適合人類需要的多種相似表型。(4)基因表達(dá)調(diào)控元件的鑒定。保守非編碼序列由于其極為特殊的轉(zhuǎn)錄調(diào)控時空模式及其對基因表達(dá)的重要調(diào)控作用受到廣泛關(guān)注。為了克服目前現(xiàn)有CNS鑒定方法下序列長度遠(yuǎn)大于已知的轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)合位點序列長度這一局限,本研究開發(fā)了一種名為STAG-CNS的軟件來鑒定物種間保守直系同源基因間啟動子區(qū)域的CNS,該方法可以整合兩個及以上物種間保守的直系同源基因的啟動子序列數(shù)據(jù),在最多六個物種中鑒定到了最短9 bp的保守非編碼序列且假陽性鑒定率小于5%。本研究進(jìn)一步分析了玉米亞基因組基因去功能化相關(guān)的基因調(diào)控區(qū)域CNS丟失特征與基因表達(dá)水平關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在亞基因組水平上基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域中鑒定到的CNS越少,該基因的表達(dá)水平越低,在越復(fù)雜的多種細(xì)胞類型的組織結(jié)構(gòu)中這種偏倚性表現(xiàn)越明顯。本研究表明CNS的丟失直接導(dǎo)致該基因缺失轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控位點造成表達(dá)抑制,CNS丟失對基因表達(dá)的調(diào)控是減少表達(dá)基因的數(shù)量而非降低其表達(dá)量。同時,為了研究轉(zhuǎn)座子插入多態(tài)性對于基因表達(dá)調(diào)控的影響及其在作物環(huán)境適應(yīng)性中的作用,本研究使用83個玉米自交系產(chǎn)生的重測序數(shù)據(jù)進(jìn)行了玉米非冗余轉(zhuǎn)座子的鑒定,共發(fā)現(xiàn)274408個NRTE插入位點。群體關(guān)聯(lián)分析表明48個NRTE插入或缺失與開花時間相關(guān)且影響其相鄰基因的表達(dá)。因此,NRTE插入可能在創(chuàng)造基因調(diào)控的變異從而使玉米能夠快速適應(yīng)不同的環(huán)境方面發(fā)揮重要作用。本研究通過在物種間鑒定CNS序列以及在群體間鑒定NRTE元件進(jìn)一步對基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析,在研究物種表型分化及環(huán)境適應(yīng)性方面具有重要意義。
【圖文】：

為特定物種的馴化中心并和其他研究人員一苘提出，世界范圍內(nèi)８個主要的多樣性中逡逑心分別位于墨西哥？、南：美洲安第斯、埃塞俄比N&、地＿海、中＿ｉ東、中亞、[緹艉投襄義涎塹厙ㄍ跡保玻�。每庚f嘌災(zāi)行畝際且恍┨囟ㄎ鎦值鈉鷦吹�，也视H畛躒斯ぱ≡竦儒義涎被形⑸牡厙繡撤⑾鄭齪癱究粕魑鍥鷦床⒍懶⒀被誆煌氖奔溴義蝦偷厙擼直鷂卸厙鈉鷦吹男÷螅ǎ保玻埃埃澳昵埃郟保擔(dān)鶯痛舐螅ǎ保埃埃埃澳昵埃郟保叮蕁㈠義夏鞲緄兀似鷦吹撓衩祝ǎ梗埃埃澳昵埃郟保罰唬保福蕁⒀侵蘚頭侵薜乜鍥鷦吹乃荊ǎ梗埃埃澳昵埃╁義希郟保梗蕁⑵鷦從謚泄墓茸櫻ㄔ跡梗埃埃澳昵埃咭約捌鷦從詵侵薜母吡唬ǎ福埃埃澳昵埃郟玻保蕁ｅ義纖婧�，諒T┪鎦摯燜俚拇サ絞瀾綹韉夭⑹視α說鋇氐鈉蚧肪場ｅ義獻(xiàn)魑镅被譴右吧值皆耘嘀值母叢憂葉嘟錐謂ソ墓蹋饕ū硇涂急溴義稀渦÷簀義瞎ぱ嗖鑠�？＇＂逦赫幒j渦÷簀義希卞義希掊胃適恚族胃吡誨危甕愣瑰危義夏竟賢煉拐渲槔酢斡プ於梗義廈藁ㄉ撤侵薰茸渝吻白悠叔義喜碩姑睿危螅槎瑰位乒瞎義匣ㄉ澹媯海慰Х儒義襄文臼礤澹殄澹危у危誨五五義希ǎ保

本文編號：2695615