【摘要】：白樺(Betula platyphylla)是樺木科(Betulaceae)樺木屬(Betula)的落葉闊葉樹(shù)種,主要生長(zhǎng)在亞洲溫帶和寒溫帶地區(qū),最典型的特征是紙張狀剝離的灰白色樹(shù)皮和長(zhǎng)長(zhǎng)的橫紋樣皮孔。白樺是我國(guó)北方重要的綠化和用材樹(shù)種,同時(shí)還具有很高的藥用價(jià)值,一直被科研人員所關(guān)注。然而,白樺目前還缺乏完整的基因組信息,這嚴(yán)重制約了相關(guān)研究的進(jìn)展。因此,本研究將利用二代和三代測(cè)序技術(shù),對(duì)白樺基因組進(jìn)行調(diào)研,分別對(duì)其細(xì)胞器和細(xì)胞核基因組進(jìn)行組裝和注釋,并分析其特征,最終得到較為完整的白樺全基因組信息,為白樺分子及育種研究奠定基礎(chǔ);同時(shí)基于東北林業(yè)大學(xué)高性能計(jì)算機(jī)集群,開(kāi)發(fā)一套適合于高雜合林木基因組的拼接注釋流程,為今后其他林木基因組的解析提供幫助�；蚪M調(diào)研顯示,白樺基因組大小約為432.9 Mb,雜合率約為1.22%,重復(fù)序列含量約為47.9%,屬于高雜合基因組。同時(shí)發(fā)現(xiàn)野外取材的白樺葉片含有細(xì)菌污染,可能會(huì)對(duì)測(cè)序結(jié)果產(chǎn)生影響。因此最終決定采用無(wú)菌的白樺組培苗作為試材,通過(guò)二代和三代測(cè)序技術(shù)完成白樺全基因組測(cè)序。葉綠體基因組分析表明,白樺葉綠體基因組全長(zhǎng)160,518 bp,包含一對(duì)長(zhǎng)26,056 bp的反向重復(fù)序列(IRs)和被它們隔開(kāi)的 89,397bp的長(zhǎng)單拷貝(LSC)和 19,009 bp的短單拷貝(SSC)片段。整個(gè)葉綠體基因組共注釋得到129個(gè)基因,包含84個(gè)編碼蛋白的基因,37個(gè)tRNA基因和8個(gè)rRNA基因。在編碼蛋白的基因中,有3個(gè)使用了非ATG起始密碼子。比較基因組學(xué)顯示,殼斗目物種葉綠體基因組相對(duì)保守,但也存在一些變異熱點(diǎn)區(qū)域,可以用于設(shè)計(jì)分子標(biāo)記。RNA編輯位點(diǎn)識(shí)別表明,白樺葉綠體中至少有80處RNA編輯事件發(fā)生,其中大多數(shù)為C到U的轉(zhuǎn)變,而少部分不是。特別是3個(gè)rRNA上的位點(diǎn)可以被編輯成2個(gè)以上不同的堿基,這在以往的研究中從未被報(bào)道過(guò)。對(duì)那些不改變氨基酸的同義編輯,其相對(duì)同義密碼子使用度(RSCU)均有所提高。系統(tǒng)演化分析表明,與矮小樺(B.nana)相比,白樺和銀樺(B.pendula)有著更近的親緣關(guān)系。線粒體基因組分析則顯示,白樺線粒體基因組全長(zhǎng)581,539 bp,GC含量為45.5%。其上共注釋得到了 65個(gè)基因,其中編碼蛋白的基因40個(gè),tRNA基因22個(gè),rRNA基因3個(gè)。重復(fù)序列分析表明,白樺線粒體基因組上有96個(gè)長(zhǎng)散在重復(fù)序列,其中包括43個(gè)正向(forward)和53個(gè)回文(palindromic)重復(fù)序列�；蚪M比較的結(jié)果顯示,白樺線粒體基因組與近緣種銀樺線粒體基因組具有良好的共線性。白樺線粒體中共識(shí)別出475處RNA編輯位點(diǎn),遠(yuǎn)多于葉綠體。共線性分析顯示,白樺線粒體基因組中有5個(gè)長(zhǎng)片段區(qū)塊來(lái)自葉綠體,占總長(zhǎng)度的4.2%。白樺核基因組分析表明,共裝配出contigs 1,540條,總計(jì) 430.4 Mb,contig N50為754.6 kb,GC含量為35.7%。利用子代和雙親的遺傳圖譜信息,將91.3%的contigs掛載到14條假染色體上。重復(fù)序列分析表明,白樺核基因組中的重復(fù)序列占50.54%,其中以轉(zhuǎn)座子為主。非編碼RNA注釋共得到tRNA基因512個(gè),rRNA基因265個(gè)。功能基因結(jié)構(gòu)注釋顯示,在白樺核基因組上,共注釋到編碼蛋白的基因31,578個(gè),基因區(qū)平均長(zhǎng)度為4,229 bp,CDS平均長(zhǎng)度為1,089 bp,每個(gè)基因平均含有4.78個(gè)外顯子,鑒定出存在可變剪切現(xiàn)象的基因7,086個(gè)。BUSCO檢測(cè)結(jié)果顯示,94.2%的基因在白樺注釋結(jié)果中被完整覆蓋�；蚬δ茏⑨尳Y(jié)果表明,有27,965個(gè)基因得到了注釋,占總數(shù)的88.6%。共線性分析顯示,白樺與葡萄(Vitis vinifera)和毛果楊(Populus trichocarpa)基因組在染色體水平上有良好的共線性,且白樺和葡萄的一些典型共線性區(qū)域在毛果楊染色體上存在2個(gè)對(duì)應(yīng)區(qū)域。全基因組復(fù)制分析進(jìn)一步顯示,白樺與葡萄一樣,在被子植物形成后,僅經(jīng)歷了 1次全基因組三倍化事件。系統(tǒng)演化分析則表明,白樺與銀樺親緣關(guān)系很近,兩者大約于2.6 Mya分開(kāi)。
【圖文】：

２．２結(jié)果與分析逡逑２．２．１邋ＤＮＡ檢測(cè)及質(zhì)控逡逑由于要構(gòu)建３個(gè)小片段文庫(kù)，因此所需白樺ＤＮＡ含量較高。圖２－１凝膠電泳結(jié)果逡逑顯示，白樺ＤＮＡ條帶清晰明亮，但略有拖尾，可能存在輕微降解，但對(duì)小片段文庫(kù)的逡逑構(gòu)建影響不大。核酸濃度檢測(cè)結(jié)果顯示，其ＯＤ２６０／２８０為２．０，ＯＤ２６０／２３０為２．１，總含逡逑量完全滿(mǎn)足試驗(yàn)要求（表２－２）。逡逑Ｍ２邋１邋Ｍ１逡逑４３６１逡逑璐逡逑圖２－１白樺ＤＮＡ電泳圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｔｈｅ邋ＤＮＡ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｏｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｂ．邋ｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａ逡逑注？？邋Ｍｌ邋泳道：ＩＩＩ邋ｄｉｇｅｓｔ；邋１邋泳道？？白樺邋ＤＮＡ；邋Ｍ２邋泳道：ＤＬ２０００。逡逑表２－２白樺ＤＮＡ濃度檢測(cè)表逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－２邋Ｔｈｅ邋ＤＮＡ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｂ．邋ｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａ逡逑Ｓａｍｐｌｅ邐Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋（ｎｇ／＾Ｌ）邐Ｖｏｌｕｍｅ邋（＾ｉＬ）邐Ｔｏｔａｌ邋（｜ｘｇ）邐逡逑ＤＮＡ邐６９．６邐２４８邐１７．３逡逑２＿２．２數(shù)據(jù)清洗和過(guò)濾逡逑測(cè)序公司將下機(jī)的白樺基因組小片段測(cè)序數(shù)據(jù)去除接頭和引物，進(jìn)行初步過(guò)濾，共逡逑得到ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ文件共２９．３邋Ｇｂ邋（表２－３）。圖２－２和圖２－３的質(zhì)量控制結(jié)果顯示，測(cè)序質(zhì)逡逑量整體符合要求，但ｒｅａｄｓ前端和結(jié)尾處質(zhì)量較差，ｒｅａｄｓ前端出現(xiàn)明顯的堿基不平衡現(xiàn)逡逑－１６邋－逡逑

統(tǒng)計(jì)和拼接軟件的容錯(cuò)能力等因素，對(duì)ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ進(jìn)行部分截短和低質(zhì)量過(guò)濾。逡逑表２－４顯示，過(guò)濾后ｒｅａｄｓ長(zhǎng)度變?yōu)椋梗板澹猓�，共得到ｃｌｅａｎ邋ｒｅａｄｓ邋２３．３邋Ｇｂ，過(guò)濾的ｒｅａｄｓ占逡逑ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ的２０．５％。圖２－４和圖２－５顯示，，過(guò)濾后的ｃｌｅａｎ邋ｒｅａｄｓ，質(zhì)量明顯提高，堿基逡逑不平衡現(xiàn)象得到顯著改善，基本可以滿(mǎn)足后期試驗(yàn)的需要。逡逑表２－３白樺ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ基本統(tǒng)計(jì)逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－３邋Ｔｈｅ邋ｂａｓｉｃ邋ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ邋ｏｆ邋Ｂ．邋ｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａ逡逑Ｉｎｓｅｒｔ邋Ｓｉｚｅ邋（ｂｐ）邐２００邐５００邐８００逡逑Ｒｅａｄｓ邋Ｌｅｎｇｔｈ邋（ｂｐ）邐１００邐１００邐１００逡逑Ｔｏｔａｌ邋Ｄａｔａ邋（Ｇｂ）邐１３＾邐＼＿Ｌ２邐＾６邐逡逑２００＿１邋２００＿２逡逑．邐，叫丨ｉ：：邐ｄ邐…：！廠逡逑；：；邐．邐ｉ逡逑＊邋■邋：邋：邋？邋＿邋－邋．．．邋■邋：．邋／：邋．邋－邋－．．ｉ邋？邋：＇－邋；邐■邋■邋．．．邋？邋？邋？邋■邋■邋．．．邐■．邋－邋■邋■邋■．邋＊逡逑５００＿１邐５００＿２逡逑５邐’ｌｌ邋；…ｈ邋丨、Ｔｆ逡逑■：邋＼．，：邐：邐＇邋／邋１邐＾邐ｌ！１；＾邋；逡逑：邐；；ｒ邐－邐Ｈｉ��！邋ｉ邋ｎ逡逑：邐ＪＪ邐：邐�。辏椋�；邋ｊ逡逑？邋］邋－邋■．邋＾邋＾ｉ邋ｖ邋；－邋ｒ：邋＊邋■邋．邋：．＇ｗ：Ｖ；ｖ邋ｖ．＼邐＇＊．、邋：邋NB邐＇、八，＼＊７Ｔ＂＜邋－邋－邋■．．邋＜．邋ｃ？ｎ
【學(xué)位授予單位】：東北林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：S792.153

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本文編號(hào)：2704894