不同甘蔗着丝粒DNA序列的组成、结构与演化分析

发布时间：2020-06-20 11:29

【摘要】：甘蔗是重要的糖料作物之一,约占世界上食糖总产量的八成。割手密SES208、Molokai6081和热带种LA Purple是重要的甘蔗育种材料,其基因组倍性高、染色体数目多、重复序列比例高,严重制约了甘蔗基因组学的研究。目前,割手密SES208的单倍体AP85-441基因组序列已经公布,Molokai6081和LA Purple基因组草图已经绘制完成。着丝粒在物理结构上表现为细胞分裂中期染色体的主缢痕,在功能上非常保守,介导细胞分裂时期染色体的准确分离。着丝粒DNA序列主要由卫星重复序列、反转录转座子和少量基因序列组成,其演化速度较快,通常缺乏保守结构。因此,着丝粒区域往往难以组装,严重阻碍了基因组的拼接工作。基于功能着丝粒区域含有组蛋白H3变体CenH3这一典型特征,我们开展了Molokai6081和LA Purple染色质免疫共沉淀实验,并对测序数据进行生物信息学分析。研究结果如下:(1)基于序列相似性聚类分析获得了Molokai6081和LA Purple全基因组的重复序列,重复序列基因组占比高达82.2%和82.8%,其中LTR类反转录转座子分别为42.08%和44.80%,高比例的重复序列严重阻碍了甘蔗基因组的组装。(2)基于重复序列富集分析得到了Molokai6081和LA Purple候选着丝粒特异序列,通过细胞学验证分别得到了五条着丝粒特异重复序列,并且这些序列具有较高相似性,在两个甘蔗种中比较保守。序列注释发现Molokai6081和LA Purple着丝粒重复序列由卫星重复和Ty3/Gypsy类反转录转座子组成,具有典型的着丝粒序列特征。(3)基于序列比对分析和细胞学实验结果,发现这五条序列在SES208、Molokai6081和LA Purple基因组中比较保守。进一步分析发现,有两条Ty3/Gypsy类反转录转座子属于玉米着丝粒反转录转座子(CRM)序列。这些结果表明CRM序列在三个甘蔗种中较为保守,推测这些序列形成于染色体加倍事件之前,并且在长期的演化进程中被较为完整的保留下来。(4)基于生物信息学分析,明确了SES208、Molokai6081和LA Purple基因组的着丝粒位置,并指出了部分染色体着丝粒区域的错误组装,为基因组的组装提供了参考。基于转录组数据分析,发现SES208、Molokai6081和LA Purple着丝粒区域均存在有转录活性的基因,并且这些基因都存在于H3区域。这些结果对不同甘蔗种着丝粒序列的组成、结构及演化研究提供了参考,为基因组着丝粒区域的组装提供了建议,推动了甘蔗基因组学的研究。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S566.1
【图文】：

序列,着丝粒,结构模式,卫星

5图 1-1 着丝粒的结构模式图[35]Figure 1-1 Model of centromere1.2.2 植物着丝粒的序列组成和演化特征植物着丝粒 DNA 序列主要由卫星重复序列、着丝粒反转录转座子序列（Centromeric retrotransposon, CR）以及其它序列组成[36]。卫星重复序列通常穿插分布于反转录转座子内部。同时，着丝粒往往存在部分拷贝数较低的 DNA 序列以及包含少数具有一定转录活性的基因[36-38]。卫星重复序列在长度以及分布上往往表现出种间特异性。水稻卫星重复单体 CentO 长度为 155bp，重复长度范围在 65 kb-2 Mb 之间。玉米卫星重复单体 CentC 长度为 156 bp，不同染色体的重

序列,反转录转座子,类别

1 文献综述复长度范围在 180 kb-2Mb 之间。基于我们之前的研究，甘蔗着丝粒卫星重复单体 SCEN 长度为 140 bp[23]。根据比较基因组学的结果，物种间的卫星重复序列基本不具有较高的同源性。反转录转座子属于可转座元件（Tansposibleelements,TE）中的 ClassⅠ中的一类[39]。根据反转录转座子 POL 蛋白中 RT-RH 和 IN 不同的排列顺序，可进一步分为 Gypsy 和 Copia 两类[39]（图 1-2）。尽管其具有不同的结构，但着丝粒特异反转录转座子在禾本科分歧大约 6000 万年后仍为具有高度保守的转座元件[40]。此外，有研究结果表明，尽管大多数着丝粒序列由高度重复序列组成，但该区域仍存在具有一定转录活性的基因，这一现象在水稻、玉米、马铃薯、棉花等物种中均有报道[41-44]。

【参考文献】