禾本科22-kD醇溶蛋白基因家族的比較研究.pdf

1、比較基因組學(xué)是以遺傳圖譜和基因組序列為基礎(chǔ)，對(duì)已知基因和基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較來了解基因組進(jìn)化的機(jī)制以及物種形成。以往在禾本科植物中進(jìn)行的比較基因組學(xué)研究揭示了植物基因組組織結(jié)構(gòu)的多樣性和保守性，但是這些研究很少涉及到基因家族的比較。多基因家族是一類起源于共同的祖先，具有相似的結(jié)構(gòu)與功能的基因，是植物基因組的重要組成部分，其中串聯(lián)重復(fù)基因（tandemly arrayed genes，TAGs）占了很大的比例。 醇溶蛋白( prol

2、amin)是大部分糧食作物中主要的儲(chǔ)藏蛋白成分，在玉米中占蛋白總量的60％左右，其中最大的一類是a-醇溶蛋白（a-zein），它又可分為19kD和22kD兩類。在玉米BSSS53自交系中，22kD a-醇溶蛋白(z1C)共有23個(gè)拷貝，其中22個(gè)成簇分布，而在高粱中，其對(duì)應(yīng)的22-kD醇溶蛋白(kafirin)有11個(gè)基因拷貝成簇分布。以往的比較分析顯示玉米與高粱的22-kD醇溶蛋白區(qū)域中基因呈“馬賽克”式的分布，在玉米自交系之間的比較

3、中也發(fā)現(xiàn)了很大的差異，但是關(guān)于22-kD醇溶蛋白基因家族的擴(kuò)增、演化與表達(dá)還沒有深入研究。 本研究以薏苡為材料，選取了薏苡中22-kD醇溶蛋白（coixin）基因家族位點(diǎn)，進(jìn)行了比較基因組學(xué)研究。薏苡是玉米的野生近緣屬，曾被認(rèn)為是玉米可能的祖先，薏苡種子具有蛋白含量高的優(yōu)點(diǎn)，因此克隆和分析薏苡中主要的種子儲(chǔ)藏蛋白是提高種子蛋白含量和改善蛋白品質(zhì)的基礎(chǔ)。有研究顯示，薏苡基因組中，22-kD醇溶蛋白也是成簇分布，但是還沒有進(jìn)一步進(jìn)行

4、基因組學(xué)研究。 本實(shí)驗(yàn)室已有19個(gè)含有22-kD coixin基因的BAC克隆并且其中2個(gè)已完成了初步測序。我們通過進(jìn)一步篩選得到了它們的重疊克隆，經(jīng)過“鳥槍法”測序、序列組裝以及后期的序列修補(bǔ)，總共得到了283，037bp的連續(xù)序列。序列比較分析顯示，玉米自交系BSSS53中的醇溶蛋白基因密度是7.6kb/基因，在自交系B73中的密度是7.9kb/基因，在薏苡中的密度稍低，為13.5kb/基因，而高粱10個(gè)緊密相連基因的密度達(dá)

5、到了3kb/基因?；蛎芏鹊牟町惪赡苁且?yàn)椴煌潭鹊霓D(zhuǎn)座因子(transposable elements，TEs)插入導(dǎo)致，我們?cè)诟吡籯afirin基因簇中沒有發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)座子只有少量的轉(zhuǎn)座子，玉米BSSS53與B73自交系的轉(zhuǎn)座因子分別占了所測序列的30％和38％，而在薏苡的283kb序列中，轉(zhuǎn)座因子占了60％。 通過基因家族成員的進(jìn)化分析并結(jié)合它們的相對(duì)位置，我們提出了高梁、玉米和薏苡22-kD基因家族的進(jìn)化模型，kafirin

6、、z1C和coixin基因都經(jīng)歷了兩輪的基因擴(kuò)增：早期的局部基因復(fù)制和后期的快速基因擴(kuò)增。早期的擴(kuò)增發(fā)生在大約1，000萬年之前，產(chǎn)生了一個(gè)或數(shù)個(gè)復(fù)制基因。后期的擴(kuò)增主要發(fā)生在500萬年至100萬年之間（高粱100萬年之內(nèi)），串聯(lián)重復(fù)基因之間錯(cuò)配導(dǎo)致的不等交換(UCO，unequal crossing over)是復(fù)制的主要機(jī)制，結(jié)果產(chǎn)生了頭尾相連的重復(fù)基因。在擴(kuò)增的后期，玉米和薏苡基因組有大規(guī)模的反轉(zhuǎn)座子入侵，使得這一區(qū)域更加復(fù)雜、龐

7、大。同時(shí)基因組的膨脹也被不等交換和異常重組中和，我們認(rèn)為異常重組（illegitimate recombination）對(duì)z1C基因區(qū)域刪除DNA起了主要作用，而不等交換在coixin基因區(qū)域中發(fā)揮了更大的作用。 通過對(duì)該基因家族的表達(dá)情況研究發(fā)現(xiàn)，基因家族成員的表達(dá)與編碼區(qū)結(jié)構(gòu)的完整性相關(guān)，幾乎所有完整的基因都是表達(dá)的，而所有表達(dá)的基因幾乎都是完整的?；虻哪挲g與表達(dá)量的高低沒有明顯關(guān)聯(lián)，基因的表達(dá)方式在基因復(fù)制后迅速產(chǎn)生分化