禾本科三個(gè)染色體位點(diǎn)的比較基因組學(xué)研究.pdf

1、比較基因組學(xué)是對(duì)已知基因和基因組結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較來了解基因功能、表達(dá)機(jī)理和物種進(jìn)化的新興學(xué)科。特別是在禾本科植物中進(jìn)行的比較基因組學(xué)研究已經(jīng)揭示了植物基因組組織結(jié)構(gòu)的多樣性和保守性。本研究以薏苡和水稻這兩種禾本科植物為材料，分別選取了薏苡中Tbl(Teosinte：Branched 1)基因、22kDa醇溶蛋白(coixin)基因家族位點(diǎn)及水稻中MOCl基因位點(diǎn)，進(jìn)行了比較基因組學(xué)研究。 薏苡與玉米同屬禾本科玉蜀黍族，是玉米的野生近

2、緣屬，具有抗病、耐寒、種子蛋白含量高等優(yōu)點(diǎn)。我國薏苡資源豐富，被公認(rèn)為是世界薏苡的重要起源地之一。但是，薏苡無論是在國內(nèi)還是國外都缺少系統(tǒng)的基因組學(xué)研究。 Tbl(Teosinte Branched 1)基因是一個(gè)與植株的形態(tài)建成及頂端優(yōu)勢(shì)有密切關(guān)系的基因，它控制著植物分枝的形成。在玉米馴化過程中該基因還是人工選擇的主要位點(diǎn)之一，對(duì)玉米的進(jìn)化起著重要作用。本研究我們通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)室薏苡BAC文庫(世界上首次構(gòu)建)的篩選，得到了6個(gè)

3、含有Tbl基因的BAC克隆并選定了其中的1個(gè)，經(jīng)過鳥槍法測(cè)序和序列組裝，得到一條長(zhǎng)100709bp的序列?；蝾A(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)在這段序列中含有5個(gè)基因，2個(gè)反轉(zhuǎn)座子和1個(gè)DNA轉(zhuǎn)座子。通用比對(duì)Tbl基因旁側(cè)11kb的區(qū)段在相近禾本科(玉米、高粱、水稻)中的保守性，發(fā)現(xiàn)薏苡與玉米和高粱間的保守性明顯高于與水稻之間的，這一結(jié)果與分類學(xué)上的結(jié)果是一致的。此外我們還發(fā)現(xiàn)薏苡與高粱、玉米之間存在著大量保守的非編碼序列(ConservedNoncoding

4、 Sequences CNSs)。在與水稻的整個(gè)區(qū)段的比較中發(fā)現(xiàn)，薏苡與水稻在Tb1位點(diǎn)上基因的內(nèi)容和基因的順序總體上是保守的(微觀共線性)，但是還是出現(xiàn)了一些基因的缺失和分化。在這一區(qū)段中薏苡的4個(gè)基因在水稻中存在著直向同源基因，而且這4個(gè)基因的排列順序在兩個(gè)物種中是相同的。此外，在兩個(gè)物種中都有缺失相對(duì)應(yīng)的直向同源基因的基因，同時(shí)還有基因在兩個(gè)物種中發(fā)生了分化，水稻中的基因5在薏苡中斷列成了基因3和基因4。 薏苡種子的蛋白質(zhì)

5、含量高達(dá)18.7％，是所有禾谷類種子中最高的。相比之下，水稻、玉米和小麥的種子中的蛋白含量都僅在10％左右。種子儲(chǔ)藏蛋白中醇溶蛋白是主要的一種，而α-醇溶蛋白又是醇溶蛋白中的主要家族，但目前在薏苡中對(duì)于α-醇溶蛋白的研究很少。已有數(shù)據(jù)顯示，22kDa，薏苡蛋白是個(gè)基因家族，而且象玉米中的醇溶蛋白那樣成簇分布，但其具體的組成和結(jié)構(gòu)還不清楚。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)。本研究我們通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)

6、室薏苡BAC文庫(世界上首次構(gòu)建)的篩選，得到了19個(gè)含有22kDa α-coixin基因的BAC克隆并選定了其中的2個(gè)，經(jīng)過鳥槍法測(cè)序和序列組裝，共測(cè)定了兩條分別為122kb和141kb的序列。通過基因預(yù)測(cè)及同源比對(duì)，在這兩個(gè)區(qū)段中共發(fā)現(xiàn)了17個(gè)α-coixin基因，其中在122kb的區(qū)段中有6個(gè)基因拷貝，而在141kb的區(qū)段中存在11個(gè)基因拷貝。我們發(fā)現(xiàn)雖然有些單個(gè)基因被轉(zhuǎn)座子或反轉(zhuǎn)座子隔開，但基因總體還是成小簇(2-5個(gè)基因)分布

7、，而且這些基因的轉(zhuǎn)錄方向都是一致的。在這17個(gè)基因中含有完整編碼區(qū)的基因有7個(gè)，含有提前終止密碼子的基因有7個(gè)，其他的是編碼區(qū)斷裂的。通過對(duì)該家族基因的表達(dá)情況研究發(fā)現(xiàn)，17個(gè)基因中有11個(gè)基因是表達(dá)的，其中所有含有完整編碼區(qū)的基因都是表達(dá)的，還有部分提前終止密碼子的基因也表達(dá)，但各表達(dá)成員占總表達(dá)量的百分比差別很大。對(duì)于基因成員編碼區(qū)的進(jìn)化樹分析發(fā)現(xiàn)，該基因家族主要是由于基因的擴(kuò)增所形成。對(duì)于該家族成員基因5'UTR比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，其上

8、游的重要調(diào)控元件都保持完整。 對(duì)于得到的目前世界上最長(zhǎng)的薏苡基因組約363kb序列的分析，我們發(fā)現(xiàn)薏苡基因組的基因密度大約為16kb/基因，GC含量占45.1％，重復(fù)序列的比例占到11.8％，在重復(fù)序列中主要是反轉(zhuǎn)座子，占了10.2％。這些結(jié)果是目前對(duì)于薏苡基因組的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)最全面的描述。 作物野生近緣類群中蘊(yùn)含著高產(chǎn)、抗病、抗逆和優(yōu)質(zhì)等特殊性狀，可以為育種和擴(kuò)大栽培品種的遺傳背景提供必要的種質(zhì)資源。對(duì)于水稻和野生稻的比

9、較基因組學(xué)研究可以為稻屬植物的基因組進(jìn)化以及栽培稻的起源和馴化提供理論基礎(chǔ)。本研究通過對(duì)兩種野生稻(O.mfipogon、O.brachyantha)與日本晴(Japonica)在與水稻分蘗重要相關(guān)的MOCl基因位點(diǎn)上的比較來揭示稻屬基因組的進(jìn)化。首先通過鳥槍測(cè)序法，測(cè)定兩個(gè)野生稻的BAC克隆，分別得到兩條134kb和183kb的序列。通過序列一致性比對(duì)發(fā)現(xiàn)，屬于同一基因組類型的稻種(O．rufipogon與Japonica同屬于從基因