玉米Mo17基因组组装及与其它玉米基因组的比较

发布时间：2020-08-09 15:47

【摘要】：玉米是全世界三大最重要的粮食作物(水稻、玉米、小麦)之一,也是总产量最高的粮食作物,同时还是重要的动物饲料、工业原料来源。玉米是植物遗传学研究领域的模式生物,其复杂的基因组结构及丰富的遗传信息为比较基因组学、功能基因组学、数量遗传学等重要学科与研究方向提供了很好的材料。玉米杂种优势现象非常明显,不同自交系之间存在着丰富的形态学和遗传学多样性,研究这种多样性产生的原因和机制,能够为解析杂种优势机理提供思路,并为玉米基因组基因克隆、遗传育种改良等提供重要帮助。本研究通过对玉米自交系MO17基因组进行深度测序并组装,并与B73和PH207基因组进行全基因组水平的比较,以期揭示自交系之间的遗传差异与杂种优势之间的联系。主要结果如下:1.综合使用PacBio SMRT测序技术、Bionano光学图谱技术及Illumina测序技术对Mo17自交系基因组进行组装。最终组装的Mo17基因组大小为2.18 Gb,其中contigsN50长度为1.48Mb,scaffolds N50长度为10.2 Mb。基于GBS泛基因组遗传图谱,将2.104 Gb的scaffolds序列锚定到Mo17染色体上,占组装基因组总长度的96.5%。综合使用Mo17 BAC序列、Mo17物理图谱、GBS泛基因组遗传图谱及BUSCO软件对Mo17组装序列进行了验证,结果均显示MO17基因组组装具有非常高的准确性。2.MO17基因组重复序列总长度为1.8Gb,占整个基因组长度的83.83%,使用相同的流程注释B73和PH207基因组,重复序列比例分别为83.76%和81%,三个基因组中每一小类的重复序列比例也差别不大。高可靠全长反转录转座子插入基因组时间的结果显示,B73和MO17自交系大部分反转录转座子的插入时间均发生在最近的一百万年内,说明玉米基因组转座子一直处于非常活跃的状态。使用Maker-P基因注释流程对MO17基因组进行注释,最终得到38,620个高质量的蛋白编码基因,其中37,830(97.95%)个能够锚定到染色体上。3.通过对Mo17、B73及PH207自交系进行全基因组水平的比较,Mo17自交系有61%的基因组序列能够一对一的比对到B73基因组上,有51%能够一对一的比对到PH207基因组上。在上述的B73/Mo17一对一共线性区域中共鉴定到了9,867,466个SNPs、630,711个Insertions以及791,735个Deletions。在B73和Mo17基因组之间总共鉴定到25Mb的PAV序列。B73基因组最长的PAV簇为六号染色体上的一段2.9Mb的序列,Mo17基因组为六号染色体一段2.5Mb的PAV序列。对B73、Mo17以及PH207基因组中的PAV基因的分析表明,绝大部分PAV基因能够在至少一个玉米野生种检测到存在同源基因,说明大部分PAV基因在祖先种中就已经存在。使用高粱基因组作为参考,对B73和MO17的亚基因组基因分化的估计发现,两个自交系亚基因组结构基本一致。对B73、MO17以及PH207基因组两两之间的直系同源基因同义替换率(Ks)的计算表明,一小部分基因与最近的遗传交换相关,但大部分的基因在从共同的玉米祖先分化之后发生了突变。进一步的Ka/Ks值计算表明,大部分发生分化的基因受到了强烈的负向选择,在任意两个基因组间均有大概7,000个左右的基因被鉴定为负向选择基因(Ka/Ks0.1),相反只有不到1,000个基因被鉴定为受到了正向选择(Ka/Ks1)。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S513
【图文】：

玉米自交系,序列,转录本

中国农业大学博士论文逦第一章文献综逡逑个ＰＡＶ基因，并进行了深入的系谱分析，为将来的遗传研究和分子育种提供了宝逡逑贵资源。玉米中的第一代ＨａｐＭａｐ计划通过对２７个自交系进行重测序，推测Ｂ７３逡逑基因组只能代表？７０％的低拷贝区域［３３］，ＨａｐＭａｐ２计划在１０３个自交系鉴定到大约逡逑５５００万个ＳＮＰ以及大量的基因组结构变异［３４］。逡逑在基因表达水平上，玉米自交系之间同样存在着巨大的变异。：》＆＾巧等［８６］逡逑对２１个自交系的幼苗组织进行转录组测序，在２２，８３０个基因上鉴定到了３５万个逡逑ＳＮＰｓ，以及构建了邋１，３２１个高可靠的新转录本，其中１４５个新转录本在杂种优势群逡逑之间是特异的。１１１＾0１１等［８７］进一步对５０３个玉米自交系的幼苗组织进行转录组测逡逑序，鉴定到大约９，０００个全新的转录本，这些转录本在Ｂ７３参考基因组上都不存在，逡逑说明玉米自交系之间在表达水平同样存在着大量的遗传变异。这些从基因组和转逡逑录组水平进行的对玉米自交系之间丰富的遗传变异的解析将为杂种优势的遗传逡逑机理和分子育种提供更丰富的理论基础。逡逑

玉米自交系,基因组序列,基因

染色体序列，与Ｂ７３参考基因组相比（ＲｅｆＧｅｎ＿Ｖ３）具有非常高的共线性（图１－３邋）。逡逑使用Ｍａｋｅｒ－Ｐ基因注释流程，在ＰＨ２０７基因组组装序列中总共注释得到４０，５５７个高逡逑质量基因。作者通过全基因组比较分析共鉴定到１，１６９个Ｂ７３特异的基因以及逡逑１，５４５个ＰＨ２０７特异的基因，ＧＯ功能富集分析发现这些基因主要富集的功能有免逡逑疫应答、胁迫响应等。进一步的表达水平分析表明，Ｂ７３与ＰＨ２０７之间３２．７％的基逡逑因在至少一个组织中存在转录本水平的ＰＡＶ现象，５２．５％的基因在至少一个组织逡逑之间差异表达。作者认为随着更多代表性自交系完成基因组序列的组装，将更进逡逑一步丰富我们对玉米基因组和转录组的认知，并为理解杂种优势的分子机制提供逡逑理论基础。逡逑１０逡逑

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图谱以及一个ＳＮＰ构建的遗传图谱，共将２，１０６邋Ｍｂ的序列锚定到了染色体上。逡逑Ｉｌｌｕｍｉｎａ短序列主要用来对基因组未组装区域进行填补以及对碱基进行错误校正。逡逑整个组装流程可参考图１－４。与第一版使用ＢＡＣ－ｔｏ－ＢＡＣ技术组装的Ｂ７３基因组逡逑（Ｂ７３邋ＲｅｆＧｅｎ＿ｖｌ）相比，序列相似性在９９．９％以上，ｃｏｎｔｉｇＮ５０长度提高了５２倍，逡逑８４％的ＢＡＣ序列能够被…个单独的ｃｏｎｔｉｇ所覆盖。使用着丝粒和端粒特异序列比逡逑对组装基因组发现大部分染色体的着丝粒和端粒都非常完整。另外由于三代测序逡逑技术能够得到不同剪切形式的全长转录本，在该文章中作者在重新注释蛋白编码逡逑基因时，将三代测序得到的１１万个全长转录本加入到转录支持证据中，将每个基逡逑因的平均转录本数目从１．６个提高到３．３个，其中７０％的基因有全长转录本的支持。逡逑１２逡逑

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