本文關(guān)鍵詞：杜仲基因組分析及適應(yīng)性和橡膠生物合成的分子基礎(chǔ)研究　出處：《中國林業(yè)科學(xué)研究院》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：杜仲(Eucommia ulmoides Oliv.)具有重要的經(jīng)濟價值。作為第三紀(jì)孑遺植物,廣泛分布于中國,適應(yīng)性極強,杜仲也是唯一的生長于亞熱帶和溫帶的硬性橡膠植物。目前,關(guān)于杜仲基因組的信息較少,嚴(yán)重阻礙了杜仲的分子育種及對杜仲資源的深度開發(fā)與利用,因此,本研究對杜仲開展基因組測序、組裝及分析,對杜仲基因組的信息進(jìn)行全面解讀,揭示杜仲適應(yīng)性及橡膠生物合成的分子基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下:1、獲得高質(zhì)量的杜仲基因組。作為絞木目第一個測序的基因組,杜仲基因組的雜合度高達(dá)1.0%,重復(fù)序列占杜仲基因組的61.24%,因此,在杜仲基因組測序組裝策略上,本研究采用第二代測序技術(shù)結(jié)合第三代測序技術(shù)對杜仲基因組進(jìn)行高通量測序,共獲得原始數(shù)據(jù)156.24 Gb,測序深度為131.29×,過濾后得到高質(zhì)量數(shù)據(jù)99.85 Gb,測序深度為83.91×。為了進(jìn)一步提高杜仲基因組的組裝質(zhì)量,本研究利用單分子光學(xué)圖技術(shù)對杜仲基因組進(jìn)行輔助組裝,組裝后得到杜仲基因大小為1.18 Gb,覆蓋杜仲預(yù)測基因組(1.19 Gb)大小的99.16%。杜仲基因組組裝的contig N50、scaffold N50和super scaffold N50長度分別為17.06 kb、1.03 Mb和1.88 Mb,其中18928個super scaffolds(2 kb)的總長度覆蓋了98.84%的杜仲基因組。另外,組裝的杜仲基因組覆蓋87.07%-95.09%的RAN-Seq數(shù)據(jù)、98.72%的表達(dá)序列標(biāo)簽(EST)及93.55%的核心真核基因,上述結(jié)果均說明杜仲基因組組裝的完整性與準(zhǔn)確性。2、杜仲基因的注釋。結(jié)合從頭預(yù)測、同源預(yù)測和RNA-seq預(yù)測的方法,對杜仲基因組中的基因進(jìn)行注釋。杜仲基因組中共含有26 732個基因,其中24 891個基因的功能被注釋,占注釋基因總數(shù)的93.14%。;另外,非編碼RNA中tRNAs、microRNAs、rRNAs和snRNAs的數(shù)量分別為1 281個、526個、275個和1 119個,轉(zhuǎn)錄因子72個家族,共1 315個基因。杜仲基因組含中共注釋出重復(fù)序列723 Mb,約占杜仲基因組大小的61.24%。重復(fù)序列的主要類型為Gypsy類型轉(zhuǎn)座子和Copia類型轉(zhuǎn)座子,分別占杜仲基因組大小的16.70%和13.22%。與其他植物相比,杜仲基因較大,其主要原因是由于重復(fù)序列較多所導(dǎo)致,而其中Copia類型轉(zhuǎn)座子對杜仲基因組的擴張貢獻(xiàn)較大。通過篩選杜仲基因組測序數(shù)據(jù),拼接得到杜仲葉綠體基因組序列。杜仲葉綠體基因組全長為163 341 bp,共注釋115個基因,其中包括80個蛋白編碼基因、31個tRNA和4個rRNA;共獲得29個SSR位點,大多位點富含A和T,具有堿基偏好性。杜仲葉綠體基因組的LSC區(qū)具有3個大的序列重排區(qū)域,其重排長度幾乎覆蓋了全部LSC區(qū)。與芝麻和煙草的葉綠體基因組相比,杜仲葉綠體基因組在反向重復(fù)區(qū)缺少序列變異。杜仲葉綠體基因組兩個IR區(qū)具有完整的ycf1基因,導(dǎo)致了杜仲葉綠體基因組的IR區(qū)發(fā)生了明顯的擴張。3、確定了杜仲的系統(tǒng)分化地位�；诨蚪M與RAN-Seq數(shù)據(jù),確定了杜仲的系統(tǒng)分化地位。杜仲屬于絞木目,與桔梗類植物和唇形類植物為姐妹分支,為被子植物菊分支的基部類群。杜仲與唇形類植物的分化時間大約在129百萬年前,可追溯到白堊紀(jì)時代。與共有祖先的菊分支植物相比,杜仲僅發(fā)生一次古老的全基因組復(fù)制事件(whole-genome duplication,WGD),缺少近期獨立的WGD;另外,杜仲與獼猴桃、番茄和葡萄的共線性分析的結(jié)果進(jìn)一步支持了杜仲只經(jīng)歷了一次WGD。4、揭示杜仲環(huán)境適應(yīng)性的分子基礎(chǔ)。通過分析杜仲基因組中的擴張基因發(fā)現(xiàn),抗病蟲相關(guān)基因如病程相關(guān)蛋白(PR17)、胼胝質(zhì)合成酶(Callose synthase)和突觸融合蛋白(Syntaxins 12)發(fā)生了明顯的擴張現(xiàn)象;與非生物脅迫相關(guān)基因如水通道蛋白(PIP1)、熱擊蛋白(HSP90)、金屬硫蛋白(MT)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)在杜仲不同的發(fā)育時期及不同的組織中均有較高的表達(dá);另外,通過分析杜仲次生代謝物質(zhì)合成途徑發(fā)現(xiàn),參與合成木脂素類、生物堿類及黃酮類化合物相關(guān)的肉桂醇脫氫酶(CAD)、異胡豆苷合酶(STR)、銅胺氧化酶(CAO)和查爾酮異構(gòu)酶(CHI)發(fā)生了明顯的擴張現(xiàn)象。綜上所述,杜仲具有對環(huán)境適應(yīng)性及較強的抗病蟲害能力主要是通過上述抗性相關(guān)基因及次生代謝物質(zhì)合成相關(guān)基因的擴張或持續(xù)高表達(dá)來提高杜仲的抗逆性及環(huán)境適應(yīng)性。5、解析杜仲橡膠生物合成的獨立起源。杜仲橡膠生物合成上游基因在基因組中尚未出現(xiàn)擴張現(xiàn)象,但有趣的是,杜仲橡膠生物合成下游的反式聚異戊二烯合成關(guān)鍵酶法尼基焦磷酸合酶(FPS)和橡膠延伸因子(REF)/小顆粒橡膠蛋白(SRPP)在杜仲基因組中存在顯著擴張現(xiàn)象。進(jìn)化分析表明,杜仲和三葉橡膠的Ⅱ類FPS和REF/SRPP擴張基因歸屬于獨立分支,且FPS特異進(jìn)化出長鏈合成功能域(Ⅱ類FPS,即EuFPS1、EuFPS3和EuFPS5),暗示著雙子葉植物橡膠生物合成過程可能是獨立起源。結(jié)合杜仲與三葉橡膠相關(guān)基因的時空表達(dá)模式及橡膠積累規(guī)律,提出了杜仲和三葉橡膠的橡膠生物合成途徑的不同模式,即杜仲橡膠(反式橡膠)生物合成主要依賴杜仲Ⅱ類FPS基因和SRPP基因,而三葉橡膠(順式橡膠)生物合成主要依賴于CPT基因和REF基因。
[Abstract]:Eucommia ulmoides Oliv . In order to improve the quality of the genome of Eucommia ulmoides Oliv . Of these , the functions of 24,891 genes were annotated , accounting for 93.14 % of the total number of annotation genes . In addition , the total length of the chloroplast genome of Eucommia ulmoides is 1670 % and 13.22 % of the genome of Eucommia ulmoides Oliv . In this paper , it was found that the biosynthesis of Eucommia ulmoides and trifolious rubber was mainly dependent on Eucommia ulmoides 鈪，

本文編號：1425940