【摘要】：白菜屬于十字花科(Cruciferae)蕓薹屬(Brassica),是蕓薹屬中第一個進行全基因組測序的作物,其基因組數(shù)據(jù)為白菜類作物的遺傳改良以及蕓薹屬其他作物的基因組組裝提供了重要參考依據(jù)。白菜參考基因組第一個版本(v1.5)于2011年組裝完成,其序列長度為283.8 Mb,contig N50值為46 kb。第二個版本(v2.0)于2017年組裝完成,進一步更新v2.0版本的scaffolds的連接關(guān)系,最終獲得v2.5版本參考基因組,其組裝序列長度為389.2 Mb,contig N50值為53 kb。由于受到測序技術(shù)的限制,兩個版本(v1.5和v2.5)都存在基因組連續(xù)性差、組裝錯誤和重復(fù)序列組裝率低等問題。白菜是經(jīng)歷基因組多倍化的物種,其不僅經(jīng)歷了十字花科植物共有的全基因組復(fù)制(WGD)事件,而且在近期經(jīng)歷了一次蕓薹屬特有的全基因組三倍化(WGT)事件。真核生物的基因表達調(diào)控以及調(diào)控元件之間的相互作用需要在染色質(zhì)折疊形成的三維結(jié)構(gòu)中完成,染色質(zhì)的折疊導(dǎo)致不同位置的染色質(zhì)產(chǎn)生互作。目前有關(guān)白菜染色質(zhì)互作的研究相對較少,WGT事件對白菜染色質(zhì)互作的影響并不清楚。本研究利用第三代測序技術(shù)對白菜參考基因組進行組裝升級,獲得了高質(zhì)量的白菜參考基因組v3.0版本,系統(tǒng)地比較了不同版本的基因組差異,并且詳細地闡述了 WGT事件對白菜染色質(zhì)互作的影響。主要研究結(jié)果如下:1.利用第三代測序技術(shù)(PacBio)、光學圖譜技術(shù)(BioNano)和全基因組染色質(zhì)構(gòu)象捕獲(Hi-C)等對白菜參考基因組進行從頭組裝和重新注釋,獲得了白菜參考基因組v3.0版本,其序列總長度為 353.14 Mb,contig N50 值為 1.45 Mb,scaffold N50 值為 4.45 Mb,僅含有 1,301 條scaffolds和389個gaps。本研究將白菜參考基因組的序列連續(xù)性提升近30倍,其contig N50值由46 kb(v1.5)和53 kb(v2.5)提升到1,446 kb(v3.0),并且v3.0版的gaps數(shù)量和長度遠小于v2.5版和v1.5版。在v3.0中預(yù)測到45,985個編碼蛋白基因,其中大部分基因(97.75%)位于染色體上,而只有極少部分(1.25%)基因位于未錨定染色體的scaffolds上。在白菜參考基因組v3.0中預(yù)測的重復(fù)序列(134 Mb)占全基因組序列的37.51%。2.通過比較三個版本的基因組注釋結(jié)果,發(fā)現(xiàn)v3.0版的注釋質(zhì)量明顯高于v2.5和v1.5。在v3.0中檢測到2,077個串聯(lián)重復(fù)基因簇,低于v2.5的3,535個串聯(lián)重復(fù)基因簇。全基因組共線性分析表明,v2.5中存在的組裝錯誤可能是導(dǎo)致其串聯(lián)基因數(shù)量遠高于其他兩個版本的原因。在v3.0中預(yù)測到13,318個全長長末端重復(fù)反轉(zhuǎn)座子(LTR-RTs),遠高于v2.5(4,129個)和v1.5(801個)的全長LTR-RTs數(shù)量,并且在v3.0中檢測到一次全新的轉(zhuǎn)座子爆發(fā)事件,這些結(jié)果更新了人們之前對白菜基因組轉(zhuǎn)座子擴增的認識。本研究重新構(gòu)建了白菜三個亞基因組,明確了白菜基因組區(qū)段的順序和方向,并且準確地預(yù)測白菜基因組的著絲粒和端粒位置。3.基于白菜全基因組Hi-C數(shù)據(jù),本研究詳細地分析了 WGT事件對白菜染色質(zhì)互作的影響,并且比較了白菜和擬南芥的旁系同源基因間的染色質(zhì)互作規(guī)律。通過高分辨率的全基因組染色質(zhì)互作圖譜發(fā)現(xiàn)白菜染色體內(nèi)部的互作高于染色體之間的互作,并且白菜著絲粒之間、端粒之間的染色質(zhì)互作明顯。本研究檢測到426對白菜旁系同源基因存在染色質(zhì)互作,存在互作的比例為3.31%,其全部互作頻次為1,022次,平均互作頻次為2.40次。通過比較擬南芥和白菜的旁系同源基因的染色質(zhì)互作,結(jié)果表明8.50%擬南芥旁系同源基因間的染色質(zhì)互作在白菜基因組中保留下來,但是大部分擬南芥染色質(zhì)互作在白菜基因組中已經(jīng)發(fā)生丟失。綜上所述,本研究利用PacBio、BioNano和Hi-C等技術(shù)獲得高質(zhì)量的白菜參考基因組v3.0,并且基于v3.0版的基因組進行了白菜全基因組的比較基因組學和全基因組染色質(zhì)互作研究。本論文的研究成果不僅為白菜類作物的遺傳改良工作奠定基礎(chǔ),同時也為十字花科植物的比較基因組學及染色質(zhì)互作研究提供了重要的數(shù)據(jù)資源。
【學位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S634
【圖文】：

（Ｓｒａｗ／ｃａ）是十字花科（Ｃｒｕｃｉｆｅｒａｅ）植物中最重要的一個屬，其屬內(nèi)包括多種和飼料等作物。蕓薹屬作物主要由白菜、甘藍、黑芥、芥菜、甘藍型油菜和埃個物種構(gòu)成：其中包括三個基本種，分別是白菜（Ｓｒｏｓｓ／ｃａ邋ｒａｐａ，ＡＡ，邋ｎ＝１０）、．ｇｒａ．邋ＢＢ，邋ｎ＝８）和甘藍（Ｓｒｏｗ／ｃａ邋ｏ／ｅｒａｃｅａ，邋ＣＣ，邋ｎ＝９），以及由這３個基本種經(jīng)過個復(fù)合種，分別是芥菜ＡＡＢＢ，邋ｎ＝１８）、甘藍型油菜（Ｂｒａｗ／ｃａ逡逑）和埃塞俄比亞芥（５／ｍｓ／ｃａｃｆｌＷ？ａ／ｆｌ，ＢＢＣＣ，ｎ＝１７）（圖Ｍ）。蕓薹屬的六個物“禹氏三角”（Ｕ’ｔｒｉａｎｇｌｅ邋ｔｈｅｏｒｙ），由Ｎａｇａｈａｒｕ邋（１９３５）在總結(jié)前人的研究基礎(chǔ)間雜交以及染色體數(shù)目等證據(jù)提出的。“禹氏三角”理論使人們首次明確了蕓薹變種間的親緣關(guān)系，極大地引導(dǎo)了蕓薹屬作物的遠緣雜交工作，促進了基本種組信息交流，推進了蕓薹屬作物的品種選育和遺傳改良工作。逡逑．邋／？即ａ）起源于中國，在世界各地具有悠久的栽培歷史，是蕓薹屬的一類重要的遺傳資源和廣泛的形態(tài)變異，可為人們提供豐富的鮮食蔬菜、膳食纖維、維目前已公布兩個版本（ｖｌ．５和ｖ２．５）的白菜參考基因組（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１１；Ｃａｉｅ個版本的白菜基因組資源為白菜類作物的遺傳改良工作奠定了基礎(chǔ)，同時也為基因組組裝升級提供重要參考。但是由于受到測序技術(shù)的限制，目前兩個版本（菜參考基因組存在基因組連續(xù)性差、組裝錯誤和重復(fù)序列組裝率低等問題。逡逑

的ｒｅａｄｓ長度，最后生成糾錯后的ｒｅａｄｓ；第二步是打斷步驟。Ｃａｎｕ軟件會對原始ｒｅａｄｓ中不被支逡逑持的區(qū)域進行打斷，以得到最大的支持長度；第三步是組裝步驟。Ｃａｎｕ軟件識別測序錯誤，然逡逑后構(gòu)建最優(yōu)的重疊關(guān)系圖，最后輸出最終的ｃｏｎｔｉｇｓ邋（圖１－５）。研究表明，Ｃａｎｕ軟件組裝效果要逡逑優(yōu)于Ｆａｌｃｏｎ軟件，即在相同組裝錯誤率的前提下，Ｃａｎｕ軟件組裝基因組占用計算機內(nèi)存更��；逡逑在相同基因組大小的前提下，Ｃａｎｕ軟件組裝的基因組的錯誤率更低（Ｋｏｒｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１７）。逡逑１．１．３染色體錨定方法逡逑染色體序列重建是基因組組裝非常重要的工作，是指將ｓｃａｆｆｏｌｄｓ錨定到染色體上，得到完整逡逑染色體序列的過程。目前，常用的染色體錨定方法有基于物理圖譜或者遺傳圖譜等傳統(tǒng)方法和基逡逑于光學圖譜技術(shù)或者染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)等新的錨定方法。逡逑（１）傳統(tǒng)的錨定方法逡逑傳統(tǒng)的染色體錨定方法有基于物理圖譜和遺傳圖譜的兩種方式，前者主要是通過序列的重疊逡逑關(guān)系來確定ｓｃａｆｆｏｌｄｓ在染色體上的位置信息，后者主要是利用減數(shù)分裂時期的姐妹染色單體聯(lián)會逡逑后的重組率來判斷ｓｃａｆｆｏｌｄｓ在染色體的排序和方向。在實際操作過程中，傳統(tǒng)的錨定方法存在實逡逑驗難度大、成本高和實驗誤差大等問題。逡逑５逡逑

釋環(huán)境中進行平末端填平反應(yīng)，以促進交聯(lián)的染色質(zhì)片段之間的連接；隨后使用超聲波對捕獲的逡逑ＤＮＡ片段進廳打斷處理，最后將被生物素標記的ＤＮＡ片段通過Ｉｌｌｕｍｉｎａ平臺進行測序，得到全逡逑基因組染色質(zhì)互作矩陣（Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ－Ａｉｄｅｎｅｔａｌ．，２００９）（圖１－７）。將得到的ＤＮＡ序列比對到參考逡逑基因組上，如果一對序列對應(yīng)于不同位置的酶切片段，那么就認為這兩個片段之間有一次染色質(zhì)逡逑互作，從而能夠構(gòu)建基因組中所有酶切片段之間互作頻率矩陣。逡逑７逡逑

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