稻屬AA基因組轉(zhuǎn)座子功能解析和中國芒草地理分布與生物質(zhì)降解效率分析.pdf

1、本研究分為二部分：
　　第一部分、稻屬AA基因組轉(zhuǎn)座子比較研究
　　轉(zhuǎn)座子(transposableelements，TE)是一類可以通過自身編碼的酶進行切割、復制、重新整合等一系列生物化學過程，在基因組不同位置間移動的、重復的DNA序列，它廣泛存在于真核和原核生物的基因組中，并對基因組的結構、功能和進化有著重要影響，是基因組的重要成分。60多年前芭芭拉·麥克林托克對玉米籽粒色斑進行研究發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座子(TE)。這一理論與之前傳

2、統(tǒng)的經(jīng)典遺傳學理論相違悖，當時的科學界并不接受轉(zhuǎn)座因子學說。但是現(xiàn)今，基因組測序項目已經(jīng)證明，轉(zhuǎn)座子對其宿主基因組大小的改變、染色體的重排、基因結構的破壞、新基因的產(chǎn)生、基因表達活性、microRNA的形成等多個方面都有很大影響，轉(zhuǎn)座子(TE)介導的插入突變已被大家公認。
　　稻屬（Oryza）屬于禾本科（Poaceae），有24個物種，其中有3個物種是栽培稻（亞洲栽培稻O.sativa的兩個亞種O.sativassp.Indic

3、a、O.sativassp.Japonica和非洲栽培稻O.glaberrimaSteud.），普遍分布在亞洲、非洲、澳洲和南美洲的熱帶與亞熱帶等地區(qū)。稻屬物種按照染色體組類型的不同，劃分為了10個基因組類型:AA，BB，CC，BBCC，CCDD，EE，F(xiàn)F，GG，HHJJ和HHKK。栽培稻所屬的AA基因組由9個物種組成，即3種栽培稻(O.sativassp.Indica、O.sativassp.Japonica和Oryzaglaber

4、rima)和6種野生稻（普通野生稻Oryzarufipogon、尼瓦拉野生稻Oryzanivara、短舌野生稻Oryzabarthii、展穎野生稻Oryzaglumaepatula、長雄蕊野生稻Oryzalongistaminata和南方野生稻Oryzameridionalis）。其中這些野生稻與水稻有著密切的親緣關系，它們蘊藏著相當多的人類目前尚未了解與利用的優(yōu)異基因，并且至今在水稻常規(guī)育種中取得的絕大多數(shù)研究突破取得的成果，幾乎都與

5、發(fā)掘和利用這些AA基因組野生稻中的優(yōu)異基因有關。發(fā)掘及利用稻屬AA基因組野生物種中蘊藏著的諸多優(yōu)異基因資源，對拓寬水稻育種的遺傳基礎，確保稻米產(chǎn)量和品質(zhì)具有重大的意義。同時，對稻屬植物進行比較基因組學和進化生物學等研究，有助于育種工作者去改進水稻品質(zhì)，對糧食生產(chǎn)和安全具有關鍵的意義。
　　近幾年，多種栽培稻物種和野生稻物種的基因組已經(jīng)測序完成，并公布在數(shù)據(jù)庫上供研究者下載使用，比較基因組是開展稻屬基因組研究的重要手段和方法。本研究

6、對稻屬植物AA基因組的8個近緣物種進行了比較基因組分析和轉(zhuǎn)座子插入分析，重建了AA基因組8個物種的系統(tǒng)發(fā)育樹，計算了各物種的分化時間。與此同時，基于轉(zhuǎn)座子插入到基因內(nèi)部的分析，探討了栽培稻的起源，從全基因組水平上對稻屬AA基因組8個物種的轉(zhuǎn)座子進行全方面的分析，并對轉(zhuǎn)座子的位置、數(shù)目、插入?yún)^(qū)域偏好性和對基因結構的影響等方面進行分析。主要研究結果如下:
　　1.用1937個單拷貝直系同源基因CDS序列構建了稻屬AA基因組8個物種的系

7、統(tǒng)發(fā)育分析表明:1）澳大利亞的O.meridionalis為AA基因組的基部類群;2）亞洲栽培稻的兩個亞種秈稻(O.sativaindica)和粳稻（O.sativajaponica）和分別和O.rufipogon與O.nivara聚類為獨立的兩個分支，支持O.sativajaponica和O.sativaindica為多次起源的觀點;3）非洲一年生野生種O.barthii是非洲栽培稻O.glaberrima的祖先;4）進化樹估測稻屬A

8、A基因組亞群大約在4.8百萬年前產(chǎn)生分化，亞洲、非洲栽培稻分別在0.78MYA和0.28MYA開始分化。
　　2.對稻屬AA基因組8個物種的轉(zhuǎn)座子進行注釋，結果表明，稻屬基因組序列可以注釋為轉(zhuǎn)座子相關序列分別為140.36MB，151.70MB，86.77MB，103.23MB，91.57MB,83.62MB,81.73MB,61.75MB（分別是O.sativaJaponica,O.sativaIndica,O.nivara,O

9、.rufipogon,O.glaberrima,O.barthii,O.glumaepatula和O.meridionalisgenomes)，分別占基因組的37.49％，35.53％，25.68％，30.55％，28.94％，27.13％，21.92％和18.39％，其中反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子所占基因組比例最高，在反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子中又以Gypsy所占比例最高。栽培稻轉(zhuǎn)座子數(shù)目與野生稻差不多，但是序列長度大于野生稻。
　　3.對序列設定了三個分

10、析區(qū)域:基因區(qū)、基因上游2kb和基因下游2kb區(qū)域，對稻屬物種中轉(zhuǎn)座子在不同區(qū)域的插入位置偏好性進行了詳細分析，研究結果顯示轉(zhuǎn)座子插入栽培稻基因里的數(shù)目明顯少于野生稻，但是在基因上下游2kb沒有這種差異。插入到基因中的轉(zhuǎn)座子大部分作為內(nèi)含子，轉(zhuǎn)座子構成外顯子的例子中，栽培稻略小于野生稻。對基因內(nèi)部和基因上下游2kb區(qū)域內(nèi)含有轉(zhuǎn)座子序列的基因進行基因功能注釋和GO、KEGG富集分析，結果顯示這些有轉(zhuǎn)座子插入的基因主要參與核苷酸結合，花粉與

11、雌蕊相互作用，激酶活性，細胞蛋白質(zhì)修飾，代謝過程，分子功能，細胞過程，分解代謝過程，碳水化合物代謝過程，水解酶活性，酶調(diào)節(jié)活性，碳水化合物結合，胚后發(fā)育等，該結果進一步暗示了轉(zhuǎn)座子對水稻馴化有重要作用，揭示了栽培稻及其野生祖先種基因組與基因的變異與進化規(guī)律。
　　第二部分、芒草不同品種的地理分布與生物質(zhì)降解效率關系研究
　　隨著人們對全球氣候變暖和能源危機問題的關注，發(fā)展非石油替代燃料成了社會的普遍認識。作為第二代生物乙醇的

12、纖維乙醇因為其能夠減少溫室氣體的排放，減少與糧食作物對土地的競爭受到廣泛的重視。
　　木質(zhì)纖維素來源包括農(nóng)林廢棄物以及迎合生物能源發(fā)展需要的能源植物，其中包括草本和木本。木質(zhì)纖維素是自然生成的復合體，其中包括以下三種生物高分子:纖維素、半纖維素、木質(zhì)素。木質(zhì)纖維素要轉(zhuǎn)化為纖維素乙醇，生物質(zhì)抗降解屏障是其最大的障礙。
　　芒屬（Miscanthus）屬于禾本科(Poaceae或Gramineae)，是多年生C4植物，具有諸多優(yōu)

13、點:光合效率很高;分蘗能力強，生物量大，生長快速;自交不親和，生態(tài)型豐富，雜種優(yōu)勢強，對養(yǎng)分的需求低，便于管理;抗性和環(huán)境適應性較強，幾乎不需求噴灑殺蟲劑;水分利用效率高，無需專門進行灌溉，雨水就可以保證其在貧瘠干旱的土地上良好生長;在不同環(huán)境條件下都具有較高的生物產(chǎn)量;能夠在作物的邊際土地上種植，不與糧爭地等。芒屬有14個物種，分布在東亞、東南亞和太平洋群島地區(qū)。中國是芒屬植物的資源中心，主要種類有荻(M.saccharforusBe

14、nth)、南荻（M.lutarioripariusSpp.）、芒（M.sinensisAnderss）、五節(jié)芒(M.floridulusWarb)等，其中芒的分布最為廣泛。
　　本文為研究芒草地理分布如何影響芒草細胞壁成分及降解轉(zhuǎn)化效率，探索選育高降解效率的優(yōu)質(zhì)芒草的最佳地理位置。我們從全國收集的1400份芒草中選出有代表性的四個種類（芒、五節(jié)芒、荻、南荻）的171份芒草，繪制種類來源地理分布圖，并對細胞壁組成與結構、生物質(zhì)糖化和

15、地理氣象因子進行相關性分析。研究發(fā)現(xiàn)每個種類的芒草展現(xiàn)了代表性的地理位置，荻主要分布在北方，五節(jié)芒主要分布在南方，芒分布較廣，而南荻分布較窄。不同的地理分布造成四個種類的細胞壁組成多樣性。南荻有較高的纖維素和木質(zhì)素，荻有較低的纖維素和半纖維素，芒和五節(jié)芒有較低的木質(zhì)素和較高的半纖維素。細胞壁組成的多樣性導致降解效率的多樣性。經(jīng)1％NaOH或1％H2SO4預處理芒草莖稈，荻的酶解六碳糖產(chǎn)率較高，南荻的酶解六碳糖產(chǎn)率較低，芒的總糖釋放較高。

16、根據(jù)生物質(zhì)降解效率與芒草分布相關性分析，發(fā)現(xiàn)降解效率高、低材料在地理分布上存在一條黃金分割線(42°25′N，108°22′E到22°58′N，116°28′E)，根據(jù)概率公式P(H/L|East)=P(H/L∩East)/P(East)，91％的高材料分布在分割線以東。同時，平均、最低氣溫以及平均降雨量均不是影響生物質(zhì)降解效率的主要因子，而日照輻射才是影響生物質(zhì)降解效率的主要因子。在細胞壁成分和壁聚合物的特征方面，半纖維素和纖維素的結

17、晶度(CrI)呈現(xiàn)出相對高的概率值，這也說明半纖維素和纖維素CrI是決定芒草降解效率的內(nèi)在因素。
　　本研究首次確定了芒草生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖與太陽輻射有密切聯(lián)系。值得注意的是，在本研究定義的芒草分布黃金分割線東北的區(qū)域選擇芒草種質(zhì)資源，將有更大的概率獲得生物質(zhì)降解效率更高的材料。此外，由于平均日照是唯一一個對芒草生物質(zhì)酶解產(chǎn)糖起到正影響的氣象因子，平均日照應該作為繁育能源植物芒草的首選因素。本研究結果為收集和繁育優(yōu)質(zhì)的能源芒草種質(zhì)資源