基于转录组的五个小麦族物种NBS基因家族系统进化分析

发布时间：2020-03-27 04:49

【摘要】：小麦族(Triticeae)是禾本科(Poaceae)中一个重要的族,不仅包括小麦、大麦等重要麦类作物,还包含冰草、新麦草等优良牧草,是一个粮饲兼用的族。小麦族蕴藏着众多优异抗病基因,为普通小麦(Triticum aestivum L.)的抗病育种提供了极其丰富的抗病基因资源。其中,NBS基因家族是植物细胞内普遍存在的主要抗性基因家族。本研究完成了五个物种RNA提取、测序、组装,在转录组水平利用生物信息学方法挖掘NBS抗病基因家族序列。利用系统发生学以及进化生物学的方法对物种间NBS基因家族进化模式进行系统分析。主要结果如下:1.五个小麦族物种转录组测序与组装:对提莫菲维小麦(Triticum timopheevii)、茹科夫斯基小麦(Triticum zhukovskyi)、小伞山羊草(Aegilops umbellulata)、尾状山羊草(Aegilops caudata)、黑麦(Secale Cereal)进行二代、三代转录组测序。采用“三+二”模式,利用二代无参组装数据对三代全长转录组数据进行校正,得到高质量的转录本。提莫菲维小麦、茹科夫斯基小麦、小伞山羊草、尾状山羊草、黑麦的转录本数量分别为97653、58207、43573、49870、91170,N50的长度分别为1434、1742、1856、1764、1972bp。2.同源性搜索及鉴定:对提莫菲维小麦、茹科夫斯基小麦、小伞山羊草、尾状山羊草、黑麦五个物种蛋白序列进行同源性搜索,阈值设为1e~(-50),同源性搜索的结果分别为50、96、40、68、160条,共414条。从植物抗病基因数据库下载有胚植物代表性NBS蛋白序列,与候选NBS蛋白序列快速构建序列进化树,发现没有单独独立出来的分支,表明同源检索得到的414条蛋白序列可以作为NBS基因表达蛋白的同源序列进行后续分析。3.NBS基因家族分类:对鉴定的候选蛋白序列进行分类,发现五个物种中只存在CC-NBS-LRR(CNL)类抗病基因,与先前研究者们单子叶植物中只存在CNL类基因的结论一致。根据C末端LRR结构域的有无,可分为NBS-LRR和NBS两类。其中,NBS-LRR类蛋白序列分别为:33、59、27、38、111条,NBS类蛋白序列分别为17、37、13、30、49条。4.序列比对和保守结构域分析:将鉴定的NBS蛋白序列与水稻中NBS蛋白序列进行多重序列比对,比对结果中查找到五个物种NBS结构存在公认的P-loop(GGLGKTT)、Kinase-2(LLVLDDVW)、Kinase-3(GSRVLLTTR)、GLPL区(GGLPLA)四个保守基序,表明五个物种NBS蛋白序列相对保守。5.系统进化分析:利用最大似然法构建地钱为外群的系统进化树,这些序列分为明显的两支,表明NBS基因家族是由两个分支进化而来。它们可进一步划分为三组,由于五个物种不同类型NBS蛋白序列在三组中均有分布,且存在于不同的进化枝中,不存在单独的分枝,说明五个物种的进化模式不存在单独的特点,而是有同样的进化模式。6.进化压力分析:计算三组同源基因对的同义替换率、非同义替换率以及它们之间的比率ω(=Ka/Ks)发现,旁系同源基因的同义替换率Ks值普遍高于直系同源基因,表明五个物种中大多数基因复制事件的时间要早于物种分离时间。除此之外,直系同源基因的Ka/Ks值普遍高于旁系同源基因,表明在进化过程中,直系同源基因受到的功能限制少,进化的进程更快。7.保守基序结构分析:在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组均选择质量最高的15条CNL蛋白序列进行保守基序分析,结果表明,不同组之间保守基序的类别是不同的,同一组的不同序列间,基序模型也并不完全相同,基序类型、数目、排列顺序间均存在差异,据此推断五个物种是通过基序的频繁获得与丢失的方式进化的。此外,五个物种CNL蛋白序列的20类保守基序,长度变化较大,在15~50个氨基酸之间,这说明了NBS基因家族成员之间保守性相对较高。
【图文】：

禾谷类作物,系统关系,小麦族

山东农业大学硕士学位论文1 引言1.1 小麦族概述小麦族隶属于禾本科的早熟禾亚科（Pooideae）（图 1）（Kellogg, 2001），有明显的穗部形态，花序呈穗状、顶生，，穗的侧面带有两个颖片的排列密集的小穗，小穗单生或 2～11 枚簇生于穗轴同节，小穗轴常脱节于颖之上，与早熟禾亚科中的其它族形成明显区别（刘玉萍等, 2013）。在生物学上，这个族囊括了生物学机制和遗传学体系的所有类型：二倍体和多倍体；一年生和多年生；自花授粉和异化授粉，甚至无融合生殖。由于变异如此之大，小麦族常被用作植物遗传学、育种学、分类学、遗传多样性和物种形成研究的材料（董玉琛和郑殿升, 2000）。

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图 2 小麦族代表性属间基因组关系示意图Fig.2 Summary of relationships among genera of the Triticeae小麦族的祖先很可能都是二倍体（或古多倍体）、多年生、异花授粉。从最初的圆锥花序，逐步发展成为穗上的每个穗轴节片着生 3 个小穗，再到后来大多数物种一个穗轴节片着生一个小穗（Sakamoto et al., 1973）。Runemark 等（1968）认为小麦族属间进化分为 5 步：（1）二倍体（古多倍体）的进化，多年生的属之间异花授粉；（2）频繁
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.1

【参考文献】