玉米、高粱和谷子基因表达和调控元件以及人工选择的比较研究
发布时间：2020-06-04 00:21
【摘要】：了解由共同祖先分化而来的各个物种间的遗传差异是研究物种进化、遗传育种等方面生物学问题的重要途径。随着遗传数据资源的日益丰富,近源物种间大量存在的遗传分化和功能变异及其对表型的影响逐渐受到研究者的关注。虽然容易观测物种间表型特征差异,但目前仍很难断定物种进化过程中产生的大量遗传变异在多大程度上如何影响着物种的分化及表型变异。本研究以遗传信息丰富的禾本科作物为研究对象,从比较转录组和比较共表达网络的角度分析了玉米和高粱两个近源物种间不同组织类型和发育阶段的基因表达、转录调控模式;并深入比较分析了玉米、高粱和谷子间单一组织叶片中一系列连续时间点上的节律基因的表达模式和转录调控规律,在分子水平上初步了解了物种间基因表达和转录调控过程的保守性与差异性;以及通过不同驯化阶段中的并行驯化基因的比较研究揭示了在作物驯化过程中近源物种间控制驯化性状基因的非并行选择模式;最后通过群体比较分析以及开发新算法更有效地对群体间非冗余转座子(NRTE)插入位点多态性以及物种间保守非编码序列(CNS)进行了鉴定,并分析了这些调控元件对于基因表达的影响。这些跨物种的基因表达调控和驯化选择方面的比较分析对于追溯物种起源、推断其进化历程以及揭示其环境适应机制等都具有重要的意义。结合特定作物的表型数据,这些比较分析将会为作物的分子育种以及培育高质量农艺性状的农作物品种提供重要的信息。具体结果如下。(1)玉米和高粱组织间基因表达模式的比较分析。本研究首先整合包括叶片、花器官和种子等多个发育阶段和组织器官在内的60个玉米组织和40个高粱组织的转录组测序数据,在转录组水平上比较了两个物种多个生长发育阶段的组织器官的基因表达规律。基于共表达基因网络的构建,鉴定了两个物种中表达水平保守的共线性基因集,挖掘了与组织器官相关的基因特异表达模块并进行了基因功能注释和富集。比较两个物种间基因网络,以直系同源共线性基因为基础,利用一个物种的基因聚类信息将另一物种的基因模块划分为多个基因功能更分化的亚模块,从而进行更为精确的基因功能预测和基因调控关系分析。结果表明,在通过基因共表达网络得到的基因模块中,基因的表达在玉米和高粱中均具有组织特异性,且两物种间大约30%的共线性基因表现出一致表达模式。同时,通过玉米和高粱间基因共表达网络的比较,鉴定到多个保守的基因表达模块及其保守的转录调控关系。本研究还发现在玉米亚基因组间有48.5%的双拷贝基因具有相同的基因表达模式,且显著富集在相同的基因共表达模块中。直系同源共线性基因及玉米亚基因组旁系同源基因间表达模式具有较高的保守性,这些基因网络中保守的基因与基因间的调控关系将为其它物种复杂的功能基因组和基因翻译提供初始框架,所鉴定的组织特异性和相同表达模式基因的功能特征将为传统的基因功能富集研究提供新的视角。(2)玉米、高粱和谷子节律基因表达模式的比较分析。生物钟是决定生物各种生理活动周期性波动的核心驱动力,这种内在的节律使生物适应外界环境的变化,如昼夜交替和四季的变化。本研究开展了72个小时内每间隔3小时连续植物叶片取样并进行转录组测序,对高粱、玉米和谷子三个物种中基因的昼夜节律表达规律进行了比较,并根据三个物种间生物节律调控基因一致的表达模式,挖掘了近源物种中节律基因启动子中共同的保守转录调控元件。结果表明,高粱、玉米和谷子间大约1/3基因的表达呈现出一致的昼夜节律且三个物种在夜间基因表达的数量均多于白天,各物种中共线性节律基因峰值表达均在黎明和黄昏时段数量最多。利用K-means方法的基因聚类,共聚类到16个基因模块代表了所有的节律基因在24小时周期内表达模式,并发现那些与糖和淀粉合成相关的节律基因的表达峰值出现在夜间,而光合作用相关基因的表达峰值出现在日出以后。结合三个物种间节律基因表达的基本规律,本研究利用CMH检验搜寻了每个模块中基因启动子区域的转录调控元件,并鉴定到大量长度为6-8 bp的转录调控元件,其中包含两个与傍晚基因相关的调控元件CBS和EE均显著富集在黄昏时分峰值表达的基因模块中。本研究通过对高粱、玉米的谷子中共线性基因的昼夜节律研究,发现近源物种间昼夜节律基因的表达和调控都趋于保守,而那些在某个物种中表现出不同表达模式的共线性基因可能与其生长环境或外界刺激相关。本研究结果为揭示与许多重要性状相关的生物节律基因的调控机制奠定了基础。(3)玉米和高粱表型并行选择背后的分子机制的比较分析。除了存在基因表达与转录调控序列上的遗传变异,物种间基因结构与功能的分化在很大程度上也受到遗传漂变或稳定选择作用的影响,比如现代作物中的优良性状往往与长期驯化过程的人工选择有关。人类活动的干预使得野生的禾本科植物逐渐演化出符合人类生产活动和食物需求的有利性状,并且这些人类需求导致了不同的物种中出现了相同的驯化表型特征。分子水平上,物种间这种并行的表型变异既可能是物种间的直系同源基因受到相同选择的结果,也有可能由于非同源基因受到相似的外界环境影响发生序列或功能上的变异达到异曲同工的作用。为探索驯化表型相关的人工选择作用在禾本科作物的直系同源基因的频率,本研究基于玉米和高粱两个物种的野生种、地方种和改良种群体材料的全基因组重测序数据搜寻和鉴定了各个物种中在驯化和改良阶段受到人工选择的候选基因,并进一步统计分析了两个物种间受到并行选择作用的基因。玉米和高粱中鉴定到的受到并行选择的候选基因中包含了多个已知的通过传统QTL作图等方法鉴定到的“经典”驯化相关基因。然而,在整体水平上,两个物种间受到并行选择的基因总数在统计学上并没有显著富集。另外,比较研究发现两个物种间保守的直系同源基因相对于非直系同源基因来说更有可能成为驯化选择作用的对象,且在玉米的两个亚基因组间同样也鉴定到了具有偏好性的基因驯化选择信号。本研究表明,虽然在两个物种的驯化和改良过程中有少数的控制驯化性状的主效基因在物种间受到并行选择,两个物种间受到驯化选择的基因并没有出现大显著的重合,推测这些表型性状可能由多个微效基因控制,它们以各自相对独立的不同的基因变异塑造出适合人类需要的多种相似表型。(4)基因表达调控元件的鉴定。保守非编码序列由于其极为特殊的转录调控时空模式及其对基因表达的重要调控作用受到广泛关注。为了克服目前现有CNS鉴定方法下序列长度远大于已知的转录调控结合位点序列长度这一局限,本研究开发了一种名为STAG-CNS的软件来鉴定物种间保守直系同源基因间启动子区域的CNS,该方法可以整合两个及以上物种间保守的直系同源基因的启动子序列数据,在最多六个物种中鉴定到了最短9 bp的保守非编码序列且假阳性鉴定率小于5%。本研究进一步分析了玉米亚基因组基因去功能化相关的基因调控区域CNS丢失特征与基因表达水平关系,发现在亚基因组水平上基因转录调控区域中鉴定到的CNS越少,该基因的表达水平越低,在越复杂的多种细胞类型的组织结构中这种偏倚性表现越明显。本研究表明CNS的丢失直接导致该基因缺失转录起始调控位点造成表达抑制,CNS丢失对基因表达的调控是减少表达基因的数量而非降低其表达量。同时,为了研究转座子插入多态性对于基因表达调控的影响及其在作物环境适应性中的作用,本研究使用83个玉米自交系产生的重测序数据进行了玉米非冗余转座子的鉴定,共发现274408个NRTE插入位点。群体关联分析表明48个NRTE插入或缺失与开花时间相关且影响其相邻基因的表达。因此,NRTE插入可能在创造基因调控的变异从而使玉米能够快速适应不同的环境方面发挥重要作用。本研究通过在物种间鉴定CNS序列以及在群体间鉴定NRTE元件进一步对基因转录调控序列的结构和功能进行分析,在研究物种表型分化及环境适应性方面具有重要意义。
【图文】：
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本文编号：2695615
【图文】：
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