【摘要】：基因水平轉(zhuǎn)移是指生物將遺傳物質(zhì)傳遞給其它細(xì)胞而非其子代的過(guò)程,主要有接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)化等方式�；蛩睫D(zhuǎn)移可以使受體細(xì)胞快速獲得新的分子功能,是微生物適應(yīng)性進(jìn)化的重要驅(qū)動(dòng)力之一。大規(guī)模微生物比較基因組學(xué)分析可深化我們對(duì)基因水平轉(zhuǎn)移過(guò)程和方式的認(rèn)識(shí)和理解。本研究以基因水平轉(zhuǎn)移為中心,提出了檢測(cè)基因水平轉(zhuǎn)移的新策略及其算法,在此基礎(chǔ)上,深入分析了根瘤菌中的共生相關(guān)基因和真菌中次生代謝基因簇的水平轉(zhuǎn)移的過(guò)程,并對(duì)Rhizobium屬根瘤菌質(zhì)粒進(jìn)行了大規(guī)模的比較基因組學(xué)分析。一種新的探測(cè)近期發(fā)生的基因水平轉(zhuǎn)移的計(jì)算方法分析了兩對(duì)分別發(fā)生過(guò)(測(cè)試組)和未發(fā)生過(guò)(對(duì)照組)基因水平轉(zhuǎn)移的Rhizobium屬根瘤菌,發(fā)現(xiàn)對(duì)照組中所有直系同源基因的序列一致性指標(biāo)值近似服從Weibull分布;測(cè)試組中直系同源基因一致性指標(biāo)值的分布與常規(guī)Weibull分布之間存在顯著偏離的區(qū)段。該區(qū)段顯示的序列相似性極高,其中蘊(yùn)含大量的水平轉(zhuǎn)移基因。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于期望最大算法估計(jì)水平轉(zhuǎn)移基因數(shù)量的模型(RecentHGT)。RecentHGT能夠準(zhǔn)確探測(cè)近期發(fā)生的基因水平轉(zhuǎn)移事件,且能應(yīng)用于全基因組層面上是水平轉(zhuǎn)移事件的檢測(cè),穩(wěn)健性較好。菜豆根瘤菌中基因水平轉(zhuǎn)移的探測(cè)基于Rhizobium、Sinorhizobium和Bradyrhizobium屬中32個(gè)基因種的共77個(gè)根瘤菌菌株的基因組數(shù)據(jù),使用RecentHGT檢測(cè)其中的基因水平轉(zhuǎn)移事件,發(fā)現(xiàn)包含共生相關(guān)基因在內(nèi)的大規(guī)�；蛩睫D(zhuǎn)移事件是造成菜豆根瘤菌物種多樣性的主要原因。Rhizobium屬中的基因水平轉(zhuǎn)移僅發(fā)生在菜豆根瘤菌之間,表現(xiàn)出明顯的宿主專(zhuān)一性,而Sinorhizobium和Bradyrhizobium屬菜豆根瘤菌則只與同屬的大豆根瘤菌發(fā)生過(guò)基因水平轉(zhuǎn)移,表現(xiàn)出大豆根瘤菌對(duì)菜豆的共生兼容性。Rhizobium屬中的絕大部分的基因水平轉(zhuǎn)移主要由共生質(zhì)粒介導(dǎo),且存在兩種獨(dú)立的轉(zhuǎn)移類(lèi)群。結(jié)合共生質(zhì)粒的比較分析發(fā)現(xiàn),其中一類(lèi)不常見(jiàn)的基因水平轉(zhuǎn)移類(lèi)群可能與所在菌株對(duì)特定酸性土壤環(huán)境的適應(yīng)有關(guān)。Rhizobium屬根瘤菌質(zhì)粒的比較基因組學(xué)研究構(gòu)建“質(zhì)粒-同源蛋白質(zhì)簇”二分網(wǎng)絡(luò)對(duì)49個(gè)Rhizobium屬基因組完成圖中的216個(gè)質(zhì)粒進(jìn)行比較基因組學(xué)分析,共篩選得到34個(gè)同源質(zhì)粒簇,顯示出Rhizobium屬根瘤菌質(zhì)粒的復(fù)雜多樣性。同時(shí),絕大部分菌株以其中4種成員最多的同源質(zhì)粒簇(1個(gè)共生質(zhì)粒簇和3個(gè)附屬質(zhì)粒簇)為基本組成。其余的同源質(zhì)粒簇則不常見(jiàn)。進(jìn)化分析表明共生質(zhì)粒簇、不常見(jiàn)的質(zhì)粒簇與4種常見(jiàn)質(zhì)粒簇和主染色體之間的共同進(jìn)化歷史較短,很可能來(lái)源于近緣微生物質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移。功能分析結(jié)果顯示,共生質(zhì)粒簇具有獨(dú)特的和多樣化的功能使其對(duì)宿主細(xì)胞與豆科植物的共生具有決定性作用;常見(jiàn)的附屬質(zhì)粒簇都有其各自特異的但又互相補(bǔ)充的對(duì)細(xì)胞生存至關(guān)重要的功能類(lèi)別,其中一類(lèi)附屬質(zhì)粒簇甚至編碼了若干必需基因。此外,二分網(wǎng)絡(luò)還提供了質(zhì)粒之間基因交換、質(zhì)粒的融合和分裂、宿主豆科植物對(duì)質(zhì)粒的選擇性以及質(zhì)粒對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等大量有意義的證據(jù)。真菌中fusidane型三萜類(lèi)化合物合成基因簇的進(jìn)化研究系統(tǒng)分析了三種fusidane型三萜類(lèi)化合物合成基因簇的組成和進(jìn)化。結(jié)果表明真菌中煙曲霉酸、夫西地酸和頭孢菌素P_1三種合成途徑的前期均由6個(gè)核心基因所催化的反應(yīng)組成,具有共同的中間產(chǎn)物,后期則由各自特有的基因催化得到特定的產(chǎn)物。三種合成基因簇的進(jìn)化歷史較為復(fù)雜:1)其成員基因通過(guò)祖先的環(huán)化酶、P450單氧酶和�；D(zhuǎn)移酶基因的基因復(fù)制事件以及三種脫氫酶基因家族的定向分化后逐漸形成。2)夫西地酸和頭孢菌素P_1合成基因簇可能由古老的煙曲霉酸基因簇衍化而來(lái)。3)三種合成基因簇在真菌界中零星分布由合成基因簇整體的基因水平轉(zhuǎn)移所致。綜上,本研究系統(tǒng)分析了重要微生物中的基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,提出了一種新的探測(cè)基因水平轉(zhuǎn)移的方法,系統(tǒng)闡述了共生相關(guān)基因的水平轉(zhuǎn)移以及不同類(lèi)型質(zhì)粒對(duì)根瘤菌-豆科植物共生的影響,并提供了真菌之間次生代謝基因簇發(fā)生水平轉(zhuǎn)移的證據(jù)。研究結(jié)果可深化對(duì)基因水平轉(zhuǎn)移過(guò)程和機(jī)制的認(rèn)識(shí),有助于深入理解其對(duì)微生物適應(yīng)性進(jìn)化中的作用。
【圖文】：

3圖 1-1. 基因水平轉(zhuǎn)移的機(jī)制(Soucy et al. 2015)接合轉(zhuǎn)移：在供體細(xì)胞與受體細(xì)胞的直接物理接觸下，單鏈 DNA 形式的遺傳物入受體細(xì)胞中。（b）細(xì)胞融合: 在細(xì)胞接觸與細(xì)胞橋形成后，發(fā)生在兩個(gè)細(xì)胞。（c）轉(zhuǎn)導(dǎo)：供體基因組 DNA 的某一片段被裝載如噬菌體頭部，再通過(guò)噬菌體基因組中。噬菌體用紅色表示。（d）基因轉(zhuǎn)移中介體：一些基因元件，它們類(lèi)失去了識(shí)別并包裝自己的 DNA 的功能，將宿主基因組 DNA 的隨機(jī)片段包裝后基因組中。溶原性噬菌體就是一種基因轉(zhuǎn)移中介體。（e）轉(zhuǎn)化: 細(xì)菌從周?chē)h(huán)

西北農(nóng)林科技大學(xué)博士學(xué)位論文粒體是來(lái)源于 α-變形菌細(xì)胞，葉綠體是來(lái)源于藍(lán)細(xì)菌的共生起源（symbiogenesis）概念(Doolittle 2000)。Doolittle 等進(jìn)一步推測(cè)：LUCA 不是一個(gè)特定的物種或者說(shuō)生命之樹(shù)沒(méi)有一個(gè)根，而是許多不同原始細(xì)胞形成的松散團(tuán)塊。這些原始的細(xì)胞，每一個(gè)都擁有少量的并存在明顯差異的基因，且這些細(xì)胞之間能夠自由的交換這些差異基因(Doolittle 2000)。Gogarten、Boto 和 Soucy 等科學(xué)家都支持了這一論點(diǎn)并且提出之前用樹(shù)的結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)構(gòu)建所有生物之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)越來(lái)越多基于基因組的結(jié)果，而應(yīng)該結(jié)合網(wǎng)絡(luò)（network）分析來(lái)構(gòu)建“生命之網(wǎng)”（web of life）描述生物之間的親緣關(guān)系，，特別是展示出微生物間頻繁發(fā)生并在進(jìn)化中發(fā)揮重要作用的基因水平轉(zhuǎn)移過(guò)程(Boto 2010; Gogarten 2000; Soucy et al. 2015)。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：Q933


本文編號(hào)：2695850