白桦全基因组测序及分析

发布时间：2020-06-09 15:35

【摘要】：白桦(Betula platyphylla)是桦木科(Betulaceae)桦木属(Betula)的落叶阔叶树种,主要生长在亚洲温带和寒温带地区,最典型的特征是纸张状剥离的灰白色树皮和长长的横纹样皮孔。白桦是我国北方重要的绿化和用材树种,同时还具有很高的药用价值,一直被科研人员所关注。然而,白桦目前还缺乏完整的基因组信息,这严重制约了相关研究的进展。因此,本研究将利用二代和三代测序技术,对白桦基因组进行调研,分别对其细胞器和细胞核基因组进行组装和注释,并分析其特征,最终得到较为完整的白桦全基因组信息,为白桦分子及育种研究奠定基础;同时基于东北林业大学高性能计算机集群,开发一套适合于高杂合林木基因组的拼接注释流程,为今后其他林木基因组的解析提供帮助。基因组调研显示,白桦基因组大小约为432.9 Mb,杂合率约为1.22%,重复序列含量约为47.9%,属于高杂合基因组。同时发现野外取材的白桦叶片含有细菌污染,可能会对测序结果产生影响。因此最终决定采用无菌的白桦组培苗作为试材,通过二代和三代测序技术完成白桦全基因组测序。叶绿体基因组分析表明,白桦叶绿体基因组全长160,518 bp,包含一对长26,056 bp的反向重复序列(IRs)和被它们隔开的 89,397bp的长单拷贝(LSC)和 19,009 bp的短单拷贝(SSC)片段。整个叶绿体基因组共注释得到129个基因,包含84个编码蛋白的基因,37个tRNA基因和8个rRNA基因。在编码蛋白的基因中,有3个使用了非ATG起始密码子。比较基因组学显示,壳斗目物种叶绿体基因组相对保守,但也存在一些变异热点区域,可以用于设计分子标记。RNA编辑位点识别表明,白桦叶绿体中至少有80处RNA编辑事件发生,其中大多数为C到U的转变,而少部分不是。特别是3个rRNA上的位点可以被编辑成2个以上不同的碱基,这在以往的研究中从未被报道过。对那些不改变氨基酸的同义编辑,其相对同义密码子使用度(RSCU)均有所提高。系统演化分析表明,与矮小桦(B.nana)相比,白桦和银桦(B.pendula)有着更近的亲缘关系。线粒体基因组分析则显示,白桦线粒体基因组全长581,539 bp,GC含量为45.5%。其上共注释得到了 65个基因,其中编码蛋白的基因40个,tRNA基因22个,rRNA基因3个。重复序列分析表明,白桦线粒体基因组上有96个长散在重复序列,其中包括43个正向(forward)和53个回文(palindromic)重复序列。基因组比较的结果显示,白桦线粒体基因组与近缘种银桦线粒体基因组具有良好的共线性。白桦线粒体中共识别出475处RNA编辑位点,远多于叶绿体。共线性分析显示,白桦线粒体基因组中有5个长片段区块来自叶绿体,占总长度的4.2%。白桦核基因组分析表明,共装配出contigs 1,540条,总计 430.4 Mb,contig N50为754.6 kb,GC含量为35.7%。利用子代和双亲的遗传图谱信息,将91.3%的contigs挂载到14条假染色体上。重复序列分析表明,白桦核基因组中的重复序列占50.54%,其中以转座子为主。非编码RNA注释共得到tRNA基因512个,rRNA基因265个。功能基因结构注释显示,在白桦核基因组上,共注释到编码蛋白的基因31,578个,基因区平均长度为4,229 bp,CDS平均长度为1,089 bp,每个基因平均含有4.78个外显子,鉴定出存在可变剪切现象的基因7,086个。BUSCO检测结果显示,94.2%的基因在白桦注释结果中被完整覆盖。基因功能注释结果表明,有27,965个基因得到了注释,占总数的88.6%。共线性分析显示,白桦与葡萄(Vitis vinifera)和毛果杨(Populus trichocarpa)基因组在染色体水平上有良好的共线性,且白桦和葡萄的一些典型共线性区域在毛果杨染色体上存在2个对应区域。全基因组复制分析进一步显示,白桦与葡萄一样,在被子植物形成后,仅经历了 1次全基因组三倍化事件。系统演化分析则表明,白桦与银桦亲缘关系很近,两者大约于2.6 Mya分开。
【图文】：

２．２结果与分析逡逑２．２．１邋ＤＮＡ检测及质控逡逑由于要构建３个小片段文库，因此所需白桦ＤＮＡ含量较高。图２－１凝胶电泳结果逡逑显示，白桦ＤＮＡ条带清晰明亮，但略有拖尾，可能存在轻微降解，但对小片段文库的逡逑构建影响不大。核酸浓度检测结果显示，其ＯＤ２６０／２８０为２．０，ＯＤ２６０／２３０为２．１，总含逡逑量完全满足试验要求（表２－２）。逡逑Ｍ２邋１邋Ｍ１逡逑４３６１逡逑璐逡逑图２－１白桦ＤＮＡ电泳图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｔｈｅ邋ＤＮＡ邋ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｏｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｂ．邋ｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａ逡逑注？？邋Ｍｌ邋泳道：ＩＩＩ邋ｄｉｇｅｓｔ；邋１邋泳道？？白桦邋ＤＮＡ；邋Ｍ２邋泳道：ＤＬ２０００。逡逑表２－２白桦ＤＮＡ浓度检测表逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－２邋Ｔｈｅ邋ＤＮＡ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｂ．邋ｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａ逡逑Ｓａｍｐｌｅ逦Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ邋（ｎｇ／＾Ｌ）逦Ｖｏｌｕｍｅ邋（＾ｉＬ）逦Ｔｏｔａｌ邋（｜ｘｇ）逦逡逑ＤＮＡ逦６９．６逦２４８逦１７．３逡逑２＿２．２数据清洗和过滤逡逑测序公司将下机的白桦基因组小片段测序数据去除接头和引物，进行初步过滤，共逡逑得到ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ文件共２９．３邋Ｇｂ邋（表２－３）。图２－２和图２－３的质量控制结果显示，测序质逡逑量整体符合要求，但ｒｅａｄｓ前端和结尾处质量较差，ｒｅａｄｓ前端出现明显的碱基不平衡现逡逑－１６邋－逡逑

统计和拼接软件的容错能力等因素，对ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ进行部分截短和低质量过滤。逡逑表２－４显示，过滤后ｒｅａｄｓ长度变为９０邋ｂｐ，共得到ｃｌｅａｎ邋ｒｅａｄｓ邋２３．３邋Ｇｂ，过滤的ｒｅａｄｓ占逡逑ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ的２０．５％。图２－４和图２－５显示，，过滤后的ｃｌｅａｎ邋ｒｅａｄｓ，质量明显提高，碱基逡逑不平衡现象得到显著改善，基本可以满足后期试验的需要。逡逑表２－３白桦ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ基本统计逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－３邋Ｔｈｅ邋ｂａｓｉｃ邋ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋ｒａｗ邋ｒｅａｄｓ邋ｏｆ邋Ｂ．邋ｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａ逡逑Ｉｎｓｅｒｔ邋Ｓｉｚｅ邋（ｂｐ）逦２００逦５００逦８００逡逑Ｒｅａｄｓ邋Ｌｅｎｇｔｈ邋（ｂｐ）逦１００逦１００逦１００逡逑Ｔｏｔａｌ邋Ｄａｔａ邋（Ｇｂ）逦１３＾逦＼＿Ｌ２逦＾６逦逡逑２００＿１邋２００＿２逡逑．逦，叫丨ｉ：：逦ｄ逦…：！厂逡逑；：；逦．逦ｉ逡逑＊邋■邋：邋：邋？邋＿邋－邋．．．邋■邋：．邋／：邋．邋－邋－．．ｉ邋？邋：＇－邋；逦■邋■邋．．．邋？邋？邋？邋■邋■邋．．．逦■．邋－邋■邋■邋■．邋＊逡逑５００＿１逦５００＿２逡逑５逦’ｌｌ邋；…ｈ邋丨、Ｔｆ逡逑■：邋＼．，：逦：逦＇邋／邋１逦＾逦ｌ！１；＾邋；逡逑：逦；；ｒ逦－逦Ｈｉ！！邋ｉ邋ｎ逡逑：逦ＪＪ逦：逦！ｊｉ｜；邋ｊ逡逑？邋］邋－邋■．邋＾邋＾ｉ邋ｖ邋；－邋ｒ：邋＊邋■邋．邋：．＇ｗ：Ｖ；ｖ邋ｖ．＼逦＇＊．、邋：邋NB逦＇、八，＼＊７Ｔ＂＜邋－邋－邋■．．邋＜．邋ｃ？ｎ
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S792.153

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本文编号：2704894