發(fā)布時間：2020-08-11 17:04

【摘要】：水稻是人類最主要的糧食作物之一。隨著世界人口數(shù)量的不斷增多、耕地面積的逐年減少以及環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻,提高糧食產(chǎn)量已經(jīng)迫在眉睫。雜種優(yōu)勢是一種廣泛存在的自然現(xiàn)象,其分子基礎(chǔ)仍然是未解之謎。水稻的基因組結(jié)構(gòu)比較簡單,而且具有廣泛的功能基因組相關(guān)的研究,使得水稻成為雜種優(yōu)勢研究的主要模型。為了提高糧食作物的產(chǎn)量,解析雜種優(yōu)勢的生物學(xué)機(jī)理勢在必行�；趦�(yōu)良雜交稻汕優(yōu)63的兩親本珍汕97和明恢63高質(zhì)量的參考基因組序列,以及覆蓋水稻36個組織/時期的全生育期的表達(dá)譜數(shù)據(jù),我們對水稻產(chǎn)量的雜種優(yōu)勢分子機(jī)理進(jìn)行了探索。通過比較兩個秈稻品種的基因組序列,研究人員在珍汕97基因組鑒定到3,984個特異存在的基因,在明恢63基因組發(fā)現(xiàn)4,308個特異存在基因。對親本特異存在基因的富集分析表明這些基因涉及產(chǎn)量、生長和發(fā)育、抗逆性和抗病性等多種不同的生物學(xué)功能,并且具有一定的功能互補(bǔ)性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)了15個重要功能的親本特異存在基因,包括只存在于珍汕97基因組中的細(xì)胞周期和植株發(fā)育相關(guān)的基因RAD23,稻瘟病抗性基因Pikp-2,以及只存在于明恢63基因組中的生長發(fā)育相關(guān)的基因OsWOX3A,產(chǎn)量相關(guān)的基因GHD7,磷耐受性基因PSTOL1。此外,還發(fā)現(xiàn)涉及產(chǎn)量、稻米的品質(zhì)等性狀的重要功能基因在珍汕97和明恢63之間的變異位點(diǎn)和影響該基因功能的關(guān)鍵變異位點(diǎn)完全一致。這些基因賦予了雜種基因組更多的基因和序列多樣性。基于包括36個組織/時期的水稻全生育期的表達(dá)譜數(shù)據(jù),鑒定到了216個珍汕97的特異表達(dá)基因和230個明恢63的特異表達(dá)基因,這些基因大部分在雜種中都是表達(dá)的,說明雜種中具有更多的表達(dá)基因。通過分析特異表達(dá)基因中的重要功能基因,發(fā)現(xiàn)脅迫響應(yīng)基因OsANS和稻瘟病抗性基因Pikm2-TS等在珍汕97中特異表達(dá),而調(diào)控細(xì)胞分裂和光周期的基因OsHAL3以及脫落酸生物合成和信號通路相關(guān)的基因OsDET1等在明恢63中特異表達(dá)。此外,基于Gramene數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù),對珍汕97和明恢63基因組的特異存在基因和轉(zhuǎn)錄組的特異表達(dá)基因所參與的生物學(xué)通路進(jìn)行了分析,鑒定到兩個分別參與分支酸合成通路和葉綠素a合成通路的親本特異存在基因和一個參與光呼吸通路的明恢63的特異表達(dá)基因。為了更方便有效地對珍汕97和明恢63基因組和表達(dá)譜進(jìn)行比較分析,我們制作了一款交互式繪制Circos圖的界面化操作工具shinyCircos。用戶可以將其安裝在個人電腦或公共服務(wù)器上進(jìn)行使用,也可以直接在線使用。用戶只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以輕松繪制不同類型的Circos圖,包括散點(diǎn)圖、線圖、柱狀圖、矩形圖、熱圖、染色體示意圖和關(guān)系線圖等。用戶可以通過繪制不同類型的圖來展示多樣的組學(xué)數(shù)據(jù),例如:使用線圖或散點(diǎn)圖展示QTL或GWAS分析的結(jié)果,熱圖展示表達(dá)譜或轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù),矩形圖展示全基因組不同的基因結(jié)構(gòu)以及關(guān)系線圖展示基因組結(jié)構(gòu)中的易位變異或遺傳分析中的兩位點(diǎn)互作。使用該軟件對兩個親本的基因組序列分析結(jié)果進(jìn)行展示,明顯地發(fā)現(xiàn)兩個基因組之間存在的大量易位變異,而且這些易位變異在不同染色體之間發(fā)生的頻率不同,例如在4號、11號和12號染色體中頻率較高。利用h測驗的方法,分析了二次枝梗原基分化期,雜種幼穗(panicle 1)組織中基因表達(dá)的非加性模式,即雜種表達(dá)量顯著偏離中親水平的表達(dá)模式。鑒定得到的503個非加性表達(dá)基因中,發(fā)現(xiàn)下調(diào)表達(dá)的基因294個和上調(diào)表達(dá)的基因209個。為了闡明非加性表達(dá)基因?qū)﹄s種優(yōu)勢的貢獻(xiàn),分別對下調(diào)表達(dá)基因和上調(diào)表達(dá)基因進(jìn)行了GO富集分析,發(fā)現(xiàn)下調(diào)表達(dá)基因富集到36個術(shù)語,主要集中在基礎(chǔ)生物學(xué)過程,包括“蛋白質(zhì)加工過程”、“翻譯后修飾過程”、“轉(zhuǎn)運(yùn)”、“定位”以及一些代謝和生物合成相關(guān)的過程。而上調(diào)表達(dá)基因富集到23個功能調(diào)控相關(guān)的通路,約占所有上調(diào)基因富集結(jié)果的68%,包括“細(xì)胞過程調(diào)控”,“代謝過程調(diào)控”和“基因表達(dá)調(diào)控”等。這些結(jié)果表明雜種中基礎(chǔ)生物學(xué)過程下調(diào),而對其調(diào)控進(jìn)一步加強(qiáng),使得雜種更有效地利用能量,表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢的表型。研究還發(fā)現(xiàn)一些具有重要功能的已克隆基因表現(xiàn)出非加性表達(dá)模式,包括水稻產(chǎn)量和生物量相關(guān)的基因OsDWARF4和OsAt10,以及調(diào)節(jié)植株高度的基因OsPH1等,對雜種的生長和發(fā)育具有貢獻(xiàn)。利用36個不同組織/時期的表達(dá)譜數(shù)據(jù),分別構(gòu)建了珍汕97、明恢63及其雜種的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。通過比較雜種和親本之間的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),鑒定到了6個雜種中特異存在的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),其中一個網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)稃/外稃(palea/lemma)組織顯著相關(guān),另一個網(wǎng)絡(luò)和三期幼穗(panicle 1)組織/時期顯著相關(guān)。此外,還鑒定到了3個雜種和珍汕97共有的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),1個雜種和明恢63共有的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果表明雜種中基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的聚集可能對雜種優(yōu)勢具有貢獻(xiàn)。本研究通過對兩個親本基因組中的特異存在基因和特異表達(dá)基因進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)這些基因涉及生長發(fā)育、產(chǎn)量和抗性等多種重要的生物學(xué)功能。還發(fā)現(xiàn)涉及產(chǎn)量、稻米的品質(zhì)、種子休眠等重要過程的功能基因在兩親本基因組之間具有關(guān)鍵的序列變異。同時,鑒定了雜種中基因的表達(dá)模式,發(fā)現(xiàn)上調(diào)表達(dá)基因和下調(diào)表達(dá)基因參與不同的生物學(xué)通路,導(dǎo)致雜種中的基礎(chǔ)生物學(xué)功能被下調(diào),對其調(diào)控進(jìn)一步加強(qiáng)。此外,挖掘了對雜種生長和發(fā)育具有貢獻(xiàn)的非加性表達(dá)基因。研究結(jié)果表明不論從特異存在基因?qū)﹄s種基因數(shù)目和種類的補(bǔ)充還是優(yōu)勢基因在雜種中的表達(dá),都對雜種優(yōu)勢現(xiàn)象的產(chǎn)生有貢獻(xiàn)。研究結(jié)果將為水稻產(chǎn)量雜種優(yōu)勢分子機(jī)制的進(jìn)一步解析提供新的線索。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S511
【圖文】：

優(yōu)良雜交稻汕優(yōu) 63 及其親本的比較基因組和轉(zhuǎn)錄組分析以及組學(xué)數(shù)據(jù)可視化軟件的開發(fā)道中，主圖的顏色、軌道的高度、基準(zhǔn)線的顏色和位置以及背景色等都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。用戶還可以調(diào)整不同軌道之間的距離和不同染色體之間的間隔，使用不同的顏色對任意軌道的特定基因組區(qū)域進(jìn)行高亮，也可以在特定的位置添加文本進(jìn)行標(biāo)記以及通過添加圖例來介紹每一圈軌道的含義。

Circos圖可視化菜單Figure3.2The“Circosvisualization”menu

圖 3.3 Circos 圖的實例展示Figure 3.3 A example of Circos plot目前的 shinyCircos 版本可以支持除染色體之外的 10 圈軌道。對于不同的軌道，用戶可以選擇不同的繪圖類型，包括散點(diǎn)圖、線圖、柱狀圖、矩形圖、熱圖和染色體示意圖（圖 3.4，圖 3.5）。散點(diǎn)圖可以用來展示 QTL 或 GWAS 的定位結(jié)果，線圖和柱狀圖可以展示不同變異信息在全基因的分布，矩形圖可以展示不同的基因結(jié)構(gòu)或不同分類的基因組片段，熱圖可以展示基因表達(dá)、甲基化修飾水平等。此外，用戶還可以繪制關(guān)系線圖，展示染色體不同位置之間的聯(lián)系，還可以用關(guān)系線圖展示基因組中大片段的復(fù)制事件，易位變異以及遺傳分析結(jié)果中的兩位點(diǎn)互作等（圖 3.5）。

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本文編號：2789331