小麥族(Triticeae)是禾本科植物中重要的一個(gè)族,具有豐富的遺傳變異類型,是農(nóng)牧業(yè)上良種繁育、牧草利用的重要基因資源庫。該族相對(duì)年輕,大約在2500萬年前從其他禾本科物種中分化出來。但由于多倍體化、屬間雜交、基因滲入使該族系統(tǒng)分類混亂,不同學(xué)者間存在較大分歧,這是為實(shí)現(xiàn)更好地利用小麥族豐富的基因資源,在整個(gè)小麥族內(nèi)拓展小麥可利用的基因池的目標(biāo)急需解決的問題。本研究綜合應(yīng)用生物信息學(xué)、比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)和系統(tǒng)發(fā)生分析,在全基因組和轉(zhuǎn)錄組水平,系統(tǒng)研究小麥族的進(jìn)化關(guān)系和普通小麥不同亞基因組之間的選擇壓。主要結(jié)果如下:1.20個(gè)小麥族物種轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及組裝。對(duì)小麥族的20個(gè)物種(分屬9個(gè)屬,包括19種基因組類型,其中6個(gè)為異源多倍體)進(jìn)行二代轉(zhuǎn)錄組測(cè)序或全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。根據(jù)測(cè)序數(shù)據(jù)類型及有無參考基因組信息,分別采用無參組裝、有參指導(dǎo)下的無參組裝、有參組裝,以及全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組質(zhì)控分析的方法,得到20個(gè)物種高質(zhì)量的轉(zhuǎn)錄本,為小麥族系統(tǒng)進(jìn)化研究、遺傳學(xué)研究及小麥分子育種提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2.評(píng)估轉(zhuǎn)錄本完整度。將每個(gè)物種的轉(zhuǎn)錄本與有胚植物中1440個(gè)單拷貝直系同源基因比對(duì),評(píng)估轉(zhuǎn)錄本的完整度,并據(jù)此確定不同策略下合適的測(cè)序數(shù)據(jù)量。二代轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)量為10-20 Gb,其中二倍體物種的缺失率小于11.3%;全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組在PacBio Sequel測(cè)序平臺(tái)的測(cè)序數(shù)據(jù)量約為8 Gb,直系同源基因的缺失率為(15.8%-30.8%),因此對(duì)于基因組較大的小麥族物種,全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組的測(cè)序量應(yīng)該至少為16G;有參組裝的野生二粒小麥(基因組AABB)的缺失率為1.9%,并且獲得了83.8%的加倍了的基因,說明在異源多倍體物種轉(zhuǎn)錄組組裝中,有參組裝的巨大優(yōu)勢(shì)。3.全基因組和全轉(zhuǎn)錄組水平的小麥族系統(tǒng)發(fā)生分析。利用all-to-all blastn和系統(tǒng)發(fā)生樹相結(jié)合的方法,在小麥族20個(gè)物種(將普通小麥不同亞基因組看做不同物種)的轉(zhuǎn)錄組和大麥基因組中,以及作為外群的水稻和二穗短柄草基因組中,共鑒定出20,557個(gè)同源序列群,在其中鑒定出1,348個(gè)直系同源群。將1,348個(gè)直系同源群按順序連接起來,進(jìn)行比對(duì)建樹,最終獲得所選小麥族物種的物種樹。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示:小麥族物種構(gòu)成一個(gè)單源分支,除簇棱軸草之外,又分為兩個(gè)亞分支:小麥亞族分支和大麥亞族分支。簇毛麥、毛穗旱麥草、旱麥草、普通黑麥位于小麥亞族分支的基部。較高等小麥亞族物種分為A、B、D 3個(gè)單源分支。3個(gè)分支中不僅含有小麥屬和山羊草屬的物種,還含有其他屬的物種,因此本研究結(jié)果不支持小麥屬和山羊草屬是單一起源的結(jié)論。4.單拷貝基因赤霉素受體GID1在小麥族中的鑒定及生物信息分析。在21個(gè)小麥族物種轉(zhuǎn)錄組和基因組中共鑒定到27條赤霉素受體GID1的直系同源序列,它們分為兩種類型,其中A型與擬南芥和水稻中的GID1類似,而B型的氨基端較A型多出300 bp左右,且對(duì)應(yīng)的蛋白序列保守。通過對(duì)A和B兩種類型的GID1蛋白三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)B型的氨基端有更多的α螺旋。不同于擬南芥一個(gè)基因組有3個(gè)拷貝,小麥族的一個(gè)基因組(亞基因組)只有一個(gè)拷貝。在小麥族較早分化出來的物種中只含有A型GID1,而在較晚分化出來的物種中則含有A和B兩種類型的GID1,這說明B型GID1是在小麥族進(jìn)化過程中通過某種機(jī)制(如插入、重組等)造成一部分序列的氨基端長(zhǎng)度增加而形成的。5.普通小麥(六倍體)不同亞基因組之間進(jìn)化壓力比較。在普通小麥的3個(gè)亞基因組中鑒定到801個(gè)同時(shí)含有來自二穗短柄草和ABD三個(gè)亞基因組至少一個(gè)的直系同源群。分別計(jì)算普通小麥每個(gè)亞基因組的編碼序列與二穗短柄草編碼序列之間的Ka值、Ks值和Ka/Ks值。結(jié)果顯示3個(gè)亞基因組所受選擇壓力趨勢(shì)基本一致,說明它們?cè)谏锕δ苌嫌型戎匾淖饔�。三個(gè)亞基因組Ka/Ks值位于0.6-1區(qū)間的序列均不足10%,說明大部分直系同源序列都處于選擇性進(jìn)化狀態(tài),而處于中性或近中性的編碼序列較少。檢測(cè)到4個(gè)同源群所受選擇趨勢(shì)不一致,這可能與染色質(zhì)重排有關(guān)。
【學(xué)位單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S512.1
【部分圖文】：

圖 1 小麥族 6 個(gè)物種的穗部圖片（來自網(wǎng)絡(luò)）a. 普通小麥；b. 粗山羊草；c. 旱麥草；d. 簇毛麥；e. 黑麥；f.小傘山羊草Fig. 1 Spike pictures of six species from Triticeae (from the internet)a. Triticum aestivum; b. Aegilops tauschii; c. Eremopyrum triticeum;d. Haynaldia villosa; e. Secale cereal; f. Aegilops umbellulata1.1.3.2 細(xì)胞遺傳學(xué)二倍體種的基因組之間有很大差異。Kihara（1954）根據(jù)減數(shù)分裂期種間和屬間雜交種染色體聯(lián)會(huì)和雜交種的可育性，確定了大部分二倍體的染色體組。Dewey（1984）根據(jù)染色體組信息，認(rèn)為屬應(yīng)該為含有某一特定染色體組物種的集合，通過對(duì)種間和屬間雜種染色體配對(duì)情況比較，確定了冰草屬、偃麥草屬和披堿草屬的染色體組成及冰草屬的分類。Chennaveeraiah（1960）根據(jù)著絲粒位置的差異，將山羊草屬的二倍體物種分為兩個(gè)類群，一類是染色體為中間著絲�；騺喼虚g著絲粒（包括 T、A、S、D 基因組的物種，另一類是染色體為近端著絲粒（包括 C、M、N、U 基因組）的物種。

圖 2 不同 K-mer 值下轉(zhuǎn)錄組組裝結(jié)果長(zhǎng)度分布a. K-mer 值為 25 時(shí)組裝結(jié)果長(zhǎng)度分布；b. K-mer 值為 30 時(shí)組裝結(jié)果長(zhǎng)度分布Fig. 2 Length distribution of transcriptome assembly under different K-mera. Length distribution of transcriptome assembly when K-mer = 25b. Length distribution of transcriptome assembly when K-mer = 302.2.3.3 二代轉(zhuǎn)錄組有參組裝由于野生二粒小麥在 NCBI 數(shù)據(jù)庫上只提交了全基因組的 DNA 數(shù)據(jù)，還沒有 CDS序列信息，因此以 NCBI 數(shù)據(jù)庫的全基因組 DNA 數(shù)據(jù)為參考基因組，對(duì)野生二粒小麥的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行有參組裝。具體步驟為：（1）用 Hisat2 軟件（Kim et al., 2015）對(duì)野生二粒小麥的參考基因組建立索引；（2）用 Hisat2 軟件（Kim et al., 2015）將轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)比對(duì)到參考基因組，并生成SAM 格式文件；（3）用 SAMtools 軟件（Li., et al., 2009）將 SAM 格式文件最終轉(zhuǎn)化為排序的 BAM

此部分序列在后續(xù)分析中將被去除。具體流程如下（圖3）：（1）用 Hisat2 軟件（Kim et al., 2015）對(duì)普通小麥的參考基因組建立索引；（2）用 Hisat2 軟件（Kim et al., 2015）將轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)比對(duì)到參考基因組，生成 SAM格式文件；（3）用 SAMtools 軟件（Li., et al., 2009）將 SAM 格式文件最終轉(zhuǎn)化為排序的 BAM格式的文件；（4）用 Trinity 軟件（Grabherr et al., 2011）的--genome_guided_bam 命令進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組在參考基因組指導(dǎo)下的無參組裝。結(jié)果生成兩個(gè)文件：一個(gè)是轉(zhuǎn)錄組組裝的 Fasta文件，但每條序列沒有染色體信息；另一個(gè)文件是后綴為 minC1.gff 的文件夾，含有若干個(gè)名稱中含有染色體信息的文件夾（文件夾中含有若干條組裝的序列）。（5）編寫 Python 腳本，根據(jù)文件夾名稱，批量為每個(gè)文件夾內(nèi)的序列重新命名；（6）從重新命名的序列中提取長(zhǎng)度長(zhǎng)于 300bp 的序列；（7）利用 CD-Hit 軟件（Li., et al., 2006）對(duì)組裝序列以相似度 100%去冗余。

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本文編號(hào)：2809403