豆科全基因组DGAT基因家族的鉴定与进化分析
发布时间：2021-09-07 04:48
本文运用生物信息学方法在12个豆科植物基因组中对DGAT（甘油二酯酰基转移酶）基因进行了全基因组鉴定,发现在四倍体花生和大豆基因组中含有的基因拷贝数相对较多,分别为17、10,这可能是导致其油脂合成能力高于其他作物的重要因素。通过对家族基因进行系统发育分析,发现DGAT基因在真双子叶植物分化之前已存在,在豆科植物中经历反复的全基因组加倍,使得家族得到扩张;并且串联重复对于家族扩增起到了不可忽视的作用,如葡萄中的两个旁系同源基因,由于串联重复使得基因拷贝数量提高了150%。大豆中DGAT基因在不同的组织中表达模式与其系统发育关系也表现出了关联性。该基因家族相对保守,与豆科基因组进化基本保持了一致的进化速率。本研究对于认识豆科植物DGAT基因进化过程具有重要的理论意义,同时在基因组学水平为大豆、花生等油脂合成品质改良提供了理论支撑。
【文章来源】：中国油料作物学报. 2020,42(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
豆科基因组中DGAT基因同源拷贝数
系统发育树的构建是发现基因进化速率、分化关系分析的有效方式，这里对外类群及豆科植物中DGAT基因的氨基酸序列，利用IQ-TREE构建了其92个DGAT基因的系统发育树（图2）。豆科植物及葡萄的DGAT基因可以分为三个旁系同源集合，由于豆科植物与葡萄共有祖先在大约1.15亿～1.3亿年前，共同经历了一次全基因组的三倍化事件[52]，在葡萄基因组中存在一组3个旁系同源基因集合，然而在葡萄和豆科植物分化之后，在葡萄基因组中发生了重复基因丢失，仅仅留下了2个旁系同源集合分别是Vv14g21897与Vv14g33023构成的一组旁系同源，在进化中串联重复对于葡萄基因组中的DGAT基因的扩增起到了重要作用，如基因Vv14g33023和Vv14g33025发生了串联重复，Vv04g26421和Vv04g26423同样也发生了串联重复，串联重复使得葡萄基因组中的该家族基因扩张幅度为150%=((5-2）/2)x100%。相比较地，在豆科基因组中3个旁系同源分支都存在，这表明葡萄基因组中的丢失发生在与豆科物种分化之后。野生型二倍体花生基因组的杂交促进了四倍体花生基因组中DGAT基因同源拷贝数的增加，尤其是四倍体花生A基因组中来自6号染色体的基因发生了串联重复，值得注意的是，其中的一个基因Aha06g0857，在系统发育树中与二倍体BB基因组中的Ai06g2730聚类到了一个分支上，导致这一拓扑结构变化的可能是由于花生A基因组可能具有较快的进化速率，又或者是基因置换导致。四倍体基因组BB中的Ahb06g2544，置换了对应在四倍体花生AA基因组Aha06g2608中的某些DNA片段，这一情况在四倍体亚基因组之间频繁发生[16]。2.3 DGAT基因的保守基序的多样性
对豆科包含有DGAT基因的多基因组局部共线性进行比对，能够确定基因与物种分化和多倍化关联的同源关系；并且可以发现基因多倍化后保留、丢失（图4）。以葡萄的14号染色体为参考，展示了葡萄14号染色体24.0-25.0Mb区域，由于豆科物种与葡萄分化之后，发生了豆科共有的多倍化事件，并且大豆发生了特异性全基因组加倍，那么期望对应在大豆中有四个、其它豆科（亚）基因组中都存在两个部分直系同源区域。在苜蓿基因组中对应了一个直系同源片段为7号染色体46.0-47.0Mb区域，没有找到对应的另外一个直系同源片段，可能是在进化中由于染色体的重排导致了丢失；对应在大豆基因组中存在三个直系同源片段，分别是大豆特异性加倍产生的两对旁系同源区域，19号染色体36.0-39.0区域，5号染色体14.0-16.0Mb区域与19号染色体51.0-52.0Mb区域，3号染色体47.0-48.0Mb区域。在局部共线性区域上分布了不同基因组中的DGAT基因，在葡萄的这一片段上有基因Vv14g33023，对应在苜蓿中的直系同源基因为Mt7g114340。在大豆中，Gm19g2281,Gm03g2242是由大豆特异性加倍事件（SST）产生的旁系同源基因。花生中豆科物种的DGAT基因存在良好的同源关系，在野花生A中对应了93.0-95.0Mb和3.0-4.0Mb的两个旁系同源区段，其在四倍体花生和野花生B中也均存在有对应的直系同源片段，同时基因组间旁系同源片段也有了很好的保留。其中Ad06g2283和Ad06g0351是一对旁系同源基因，Ad06g2283和Aha06g0816,Aha06g2608和Ai06g1012,Ai06g1012和Ahb06g2544均为直系同源基因对。图4 DGAT基因在豆科基因组及外类群葡萄中的局部共线性
【参考文献】：
期刊论文
[1]De novo assembly of a Chinese soybean genome[J]. Yanting Shen,Jing Liu,Haiying Geng,Jixiang Zhang,Yucheng Liu,Haikuan Zhang,Shilai Xing,Jianchang Du,Shisong Ma,Zhixi Tian. Science China（Life Sciences）. 2018(08)
本文编号：3388875
【文章来源】：中国油料作物学报. 2020,42(05)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
豆科基因组中DGAT基因同源拷贝数
系统发育树的构建是发现基因进化速率、分化关系分析的有效方式，这里对外类群及豆科植物中DGAT基因的氨基酸序列，利用IQ-TREE构建了其92个DGAT基因的系统发育树（图2）。豆科植物及葡萄的DGAT基因可以分为三个旁系同源集合，由于豆科植物与葡萄共有祖先在大约1.15亿～1.3亿年前，共同经历了一次全基因组的三倍化事件[52]，在葡萄基因组中存在一组3个旁系同源基因集合，然而在葡萄和豆科植物分化之后，在葡萄基因组中发生了重复基因丢失，仅仅留下了2个旁系同源集合分别是Vv14g21897与Vv14g33023构成的一组旁系同源，在进化中串联重复对于葡萄基因组中的DGAT基因的扩增起到了重要作用，如基因Vv14g33023和Vv14g33025发生了串联重复，Vv04g26421和Vv04g26423同样也发生了串联重复，串联重复使得葡萄基因组中的该家族基因扩张幅度为150%=((5-2）/2)x100%。相比较地，在豆科基因组中3个旁系同源分支都存在，这表明葡萄基因组中的丢失发生在与豆科物种分化之后。野生型二倍体花生基因组的杂交促进了四倍体花生基因组中DGAT基因同源拷贝数的增加，尤其是四倍体花生A基因组中来自6号染色体的基因发生了串联重复，值得注意的是，其中的一个基因Aha06g0857，在系统发育树中与二倍体BB基因组中的Ai06g2730聚类到了一个分支上，导致这一拓扑结构变化的可能是由于花生A基因组可能具有较快的进化速率，又或者是基因置换导致。四倍体基因组BB中的Ahb06g2544，置换了对应在四倍体花生AA基因组Aha06g2608中的某些DNA片段，这一情况在四倍体亚基因组之间频繁发生[16]。2.3 DGAT基因的保守基序的多样性
对豆科包含有DGAT基因的多基因组局部共线性进行比对，能够确定基因与物种分化和多倍化关联的同源关系；并且可以发现基因多倍化后保留、丢失（图4）。以葡萄的14号染色体为参考，展示了葡萄14号染色体24.0-25.0Mb区域，由于豆科物种与葡萄分化之后，发生了豆科共有的多倍化事件，并且大豆发生了特异性全基因组加倍，那么期望对应在大豆中有四个、其它豆科（亚）基因组中都存在两个部分直系同源区域。在苜蓿基因组中对应了一个直系同源片段为7号染色体46.0-47.0Mb区域，没有找到对应的另外一个直系同源片段，可能是在进化中由于染色体的重排导致了丢失；对应在大豆基因组中存在三个直系同源片段，分别是大豆特异性加倍产生的两对旁系同源区域，19号染色体36.0-39.0区域，5号染色体14.0-16.0Mb区域与19号染色体51.0-52.0Mb区域，3号染色体47.0-48.0Mb区域。在局部共线性区域上分布了不同基因组中的DGAT基因，在葡萄的这一片段上有基因Vv14g33023，对应在苜蓿中的直系同源基因为Mt7g114340。在大豆中，Gm19g2281,Gm03g2242是由大豆特异性加倍事件（SST）产生的旁系同源基因。花生中豆科物种的DGAT基因存在良好的同源关系，在野花生A中对应了93.0-95.0Mb和3.0-4.0Mb的两个旁系同源区段，其在四倍体花生和野花生B中也均存在有对应的直系同源片段，同时基因组间旁系同源片段也有了很好的保留。其中Ad06g2283和Ad06g0351是一对旁系同源基因，Ad06g2283和Aha06g0816,Aha06g2608和Ai06g1012,Ai06g1012和Ahb06g2544均为直系同源基因对。图4 DGAT基因在豆科基因组及外类群葡萄中的局部共线性
【参考文献】：
期刊论文
[1]De novo assembly of a Chinese soybean genome[J]. Yanting Shen,Jing Liu,Haiying Geng,Jixiang Zhang,Yucheng Liu,Haikuan Zhang,Shilai Xing,Jianchang Du,Shisong Ma,Zhixi Tian. Science China（Life Sciences）. 2018(08)
本文编号：3388875
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