白菜和甘蓝远缘杂交后代旁系同源基因差异表达机制

发布时间：2020-03-26 08:58

【摘要】：十字花科芸薹属中的白菜、甘蓝及其远缘杂交后代是重要的蔬菜或油用作物。随着测序和组装等技术的日益进步,白菜和甘蓝的全基因组测序和基因注释相继完成,为芸薹属植物的生物学研究提供了重要基础。旁系同源基因是指同一基因组(或同系物种的基因组)中,由于祖先基因加倍等过程而横向产生的几个同源基因。植物间的远缘杂交造成物种内出现大量的旁系同源基因。目前,植物远缘杂交后代旁系同源基因的表达调控机制尚未得到解析。近年来,有研究显示旁系同源基因之间的DNA序列高度相似,但是其表达水平却存在差异,相关机制还不清楚,表观遗传修饰可能发挥了重要作用。本研究主要对白菜与甘蓝远缘杂交后代中,表观遗传修饰与旁系同源基因差异表达的关系进行了系统分析。研究选取白菜品种Chiifu和甘蓝品种金早生(JZS)进行远缘杂交。利用胚挽救技术得到异源二倍体(allodiploid,AD1)后,又采用秋水仙素加倍的方法得到了异源四倍体(allotetraploid,AT1)。根据基因间的线性关系确定了AD1和AT1中的旁系同源基因,并以“two-fold原则”为筛选条件,获得了差异表达的旁系同源基因对。最终以转座子、24-nt s RNA和三种类型的甲基化(Cp G、CHG和CHH)为研究重点,对表观遗传修饰与旁系同源基因差异表达的相关关系进行了研究。主要结果如下:1、对白菜、甘蓝及其杂交后代AD1和AT1的转座子分布进行研究时发现,在全基因组水平,基因内部及其上下游临近区域转座子的密度与基因表达呈负相关,并且基因上游1 kb至下游1 kb与基因表达的相关性最大,在此定义基因上游1 kb和基因下游1 kb为基因上下游区域。2、在对杂交后代(AD1和AT1)的研究中发现,旁系同源基因上下游区域的转座子密度与其基因差异表达无关;但是基因区的转座子密度与旁系同源基因的差异表达具有负相关性。3、发现在AD1和AT1的基因上下游区域和基因区域的24-nt s RNA水平与旁系同源基因之间的差异表达不相关。在对24-nt s RNA靶向转座子的水平进行分析时发现,其与旁系同源基因的差异表达无明显关系。4、在基因上下游区域,无论是在AD1还是AT1中,3种类型的DNA甲基化(Cp G、CHG和CHH)水平及转座子的DNA甲基化水平都与旁系同源基因之间的差异表达无关;而在基因区,差异表达的旁系同源基因的表达水平越低,其CHG和CHH类型的甲基化水平越高。对转座子的DNA甲基化水平研究时发现,基因区中,转座子的CHG和CHH类型DNA甲基化与旁系同源基因的差异表达呈负相关。总而言之,在白菜和甘蓝远缘杂交的后代(AD1和AT1)中,旁系同源基因的上下游区域,转座子、24-nt s RNA、24-nt s RNA靶向转座子、DNA甲基化和转座子的甲基化均与其差异表达无关;在基因区,转座子的密度、CHG类型DNA甲基化、CHH类型DNA甲基化、转座子的CHG和CHH类型DNA甲基化均与旁系同源基因的差异表达呈负相关。
【图文】：

芥（B.carinata;BBCC,2n=36） Nagaharu通过人工合成得到了甘蓝型油菜，并给出了三个基本种与三个复合种的关系：3个基本种通过相互杂交和自然加倍而形成双二倍体种，即经典的 禹氏三角 （Nagaharu U, 1935），如图1-1所示 而在 禹氏三角 中物种之间的关系也成为了研究多倍化的重要模式体系（Lukens et al., 2006），，这也为种间杂交的机制与特性的提供了理论依据 图 1- 1 禹氏三角（Nagaharu U, 1935）Figure 1-1 U' s triangle（Nagaharu U, 1935）随着现代科学技术的飞速发展，生物信息学水平的不断提高，测序成为了一个十分热门的研究工作 芸薹属中较早完成全基因组测序和基因注释的是白菜和甘蓝，其测序的成功，为芸薹属作物的科学研究做出了极其突出的贡献 2003年白菜基因组测序计划启动，并利用Sanger测序法得到了白菜第三条染色体的信息（Munetal.,2010），直至2011年，白菜全基因组测序任务圆满完成（Wang et al., 2011）；2009年甘蓝全基因组测序项目正式启动，2014年研究人员通过Illumina Roche 454和Sanger测序完成了甘蓝（B. oleracea）的基因组草图 随后科研工作者们又进一步开展了白菜和甘蓝的基因组注释 比较基因组学 基因组进化和各种相关的生物学分析

5转座子的功能影响转座子活性的因素有很多，如染色体断裂 温度 光照和高能射线等，有研究发现远缘杂交也可以激活沉默的转座子 McClintock 认为，种间杂交对植物基因组的进化是一种刺激作用，而这种作用很容易激活沉默的转座子，导致基因组扩增或者重建（McClintock.,1984） 随着对远缘杂交和转座子研究的不断深入，有大量的研究结果都表明，遗传物质有差异的亲本进行杂交时，图 1-2 转座子的分类系统（Wicker et al., 2009）Figure 1-2 Proposed classification system for transposable elements (TEs) （Wicker et al., 2009）
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S634;S635

【参考文献】

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本文编号：2601231