优良杂交稻汕优63及其亲本的比较基因组和转录组分析以及组学数据可视化软件的开发

发布时间：2020-08-11 17:04

【摘要】：水稻是人类最主要的粮食作物之一。随着世界人口数量的不断增多、耕地面积的逐年减少以及环境问题的日益严峻,提高粮食产量已经迫在眉睫。杂种优势是一种广泛存在的自然现象,其分子基础仍然是未解之谜。水稻的基因组结构比较简单,而且具有广泛的功能基因组相关的研究,使得水稻成为杂种优势研究的主要模型。为了提高粮食作物的产量,解析杂种优势的生物学机理势在必行。基于优良杂交稻汕优63的两亲本珍汕97和明恢63高质量的参考基因组序列,以及覆盖水稻36个组织/时期的全生育期的表达谱数据,我们对水稻产量的杂种优势分子机理进行了探索。通过比较两个籼稻品种的基因组序列,研究人员在珍汕97基因组鉴定到3,984个特异存在的基因,在明恢63基因组发现4,308个特异存在基因。对亲本特异存在基因的富集分析表明这些基因涉及产量、生长和发育、抗逆性和抗病性等多种不同的生物学功能,并且具有一定的功能互补性。进一步分析发现了15个重要功能的亲本特异存在基因,包括只存在于珍汕97基因组中的细胞周期和植株发育相关的基因RAD23,稻瘟病抗性基因Pikp-2,以及只存在于明恢63基因组中的生长发育相关的基因OsWOX3A,产量相关的基因GHD7,磷耐受性基因PSTOL1。此外,还发现涉及产量、稻米的品质等性状的重要功能基因在珍汕97和明恢63之间的变异位点和影响该基因功能的关键变异位点完全一致。这些基因赋予了杂种基因组更多的基因和序列多样性。基于包括36个组织/时期的水稻全生育期的表达谱数据,鉴定到了216个珍汕97的特异表达基因和230个明恢63的特异表达基因,这些基因大部分在杂种中都是表达的,说明杂种中具有更多的表达基因。通过分析特异表达基因中的重要功能基因,发现胁迫响应基因OsANS和稻瘟病抗性基因Pikm2-TS等在珍汕97中特异表达,而调控细胞分裂和光周期的基因OsHAL3以及脱落酸生物合成和信号通路相关的基因OsDET1等在明恢63中特异表达。此外,基于Gramene数据库的相关数据,对珍汕97和明恢63基因组的特异存在基因和转录组的特异表达基因所参与的生物学通路进行了分析,鉴定到两个分别参与分支酸合成通路和叶绿素a合成通路的亲本特异存在基因和一个参与光呼吸通路的明恢63的特异表达基因。为了更方便有效地对珍汕97和明恢63基因组和表达谱进行比较分析,我们制作了一款交互式绘制Circos图的界面化操作工具shinyCircos。用户可以将其安装在个人电脑或公共服务器上进行使用,也可以直接在线使用。用户只需要点击鼠标就可以轻松绘制不同类型的Circos图,包括散点图、线图、柱状图、矩形图、热图、染色体示意图和关系线图等。用户可以通过绘制不同类型的图来展示多样的组学数据,例如:使用线图或散点图展示QTL或GWAS分析的结果,热图展示表达谱或转录组的数据,矩形图展示全基因组不同的基因结构以及关系线图展示基因组结构中的易位变异或遗传分析中的两位点互作。使用该软件对两个亲本的基因组序列分析结果进行展示,明显地发现两个基因组之间存在的大量易位变异,而且这些易位变异在不同染色体之间发生的频率不同,例如在4号、11号和12号染色体中频率较高。利用h测验的方法,分析了二次枝梗原基分化期,杂种幼穗(panicle 1)组织中基因表达的非加性模式,即杂种表达量显著偏离中亲水平的表达模式。鉴定得到的503个非加性表达基因中,发现下调表达的基因294个和上调表达的基因209个。为了阐明非加性表达基因对杂种优势的贡献,分别对下调表达基因和上调表达基因进行了GO富集分析,发现下调表达基因富集到36个术语,主要集中在基础生物学过程,包括“蛋白质加工过程”、“翻译后修饰过程”、“转运”、“定位”以及一些代谢和生物合成相关的过程。而上调表达基因富集到23个功能调控相关的通路,约占所有上调基因富集结果的68%,包括“细胞过程调控”,“代谢过程调控”和“基因表达调控”等。这些结果表明杂种中基础生物学过程下调,而对其调控进一步加强,使得杂种更有效地利用能量,表现出杂种优势的表型。研究还发现一些具有重要功能的已克隆基因表现出非加性表达模式,包括水稻产量和生物量相关的基因OsDWARF4和OsAt10,以及调节植株高度的基因OsPH1等,对杂种的生长和发育具有贡献。利用36个不同组织/时期的表达谱数据,分别构建了珍汕97、明恢63及其杂种的基因共表达网络。通过比较杂种和亲本之间的共表达网络,鉴定到了6个杂种中特异存在的共表达网络,其中一个网络和内稃/外稃(palea/lemma)组织显著相关,另一个网络和三期幼穗(panicle 1)组织/时期显著相关。此外,还鉴定到了3个杂种和珍汕97共有的共表达网络,1个杂种和明恢63共有的共表达网络。研究结果表明杂种中基因共表达网络的聚集可能对杂种优势具有贡献。本研究通过对两个亲本基因组中的特异存在基因和特异表达基因进行分析,发现这些基因涉及生长发育、产量和抗性等多种重要的生物学功能。还发现涉及产量、稻米的品质、种子休眠等重要过程的功能基因在两亲本基因组之间具有关键的序列变异。同时,鉴定了杂种中基因的表达模式,发现上调表达基因和下调表达基因参与不同的生物学通路,导致杂种中的基础生物学功能被下调,对其调控进一步加强。此外,挖掘了对杂种生长和发育具有贡献的非加性表达基因。研究结果表明不论从特异存在基因对杂种基因数目和种类的补充还是优势基因在杂种中的表达,都对杂种优势现象的产生有贡献。研究结果将为水稻产量杂种优势分子机制的进一步解析提供新的线索。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511
【图文】：

数据上传,菜单

优良杂交稻汕优 63 及其亲本的比较基因组和转录组分析以及组学数据可视化软件的开发道中，主图的颜色、轨道的高度、基准线的颜色和位置以及背景色等都可以进行调节。用户还可以调整不同轨道之间的距离和不同染色体之间的间隔，使用不同的颜色对任意轨道的特定基因组区域进行高亮，也可以在特定的位置添加文本进行标记以及通过添加图例来介绍每一圈轨道的含义。

菜单,可视化,数据上传,图例

Circos图可视化菜单Figure3.2The“Circosvisualization”menu

染色体,版本,轨道,实例

图 3.3 Circos 图的实例展示Figure 3.3 A example of Circos plot目前的 shinyCircos 版本可以支持除染色体之外的 10 圈轨道。对于不同的轨道，用户可以选择不同的绘图类型，包括散点图、线图、柱状图、矩形图、热图和染色体示意图（图 3.4，图 3.5）。散点图可以用来展示 QTL 或 GWAS 的定位结果，线图和柱状图可以展示不同变异信息在全基因的分布，矩形图可以展示不同的基因结构或不同分类的基因组片段，热图可以展示基因表达、甲基化修饰水平等。此外，用户还可以绘制关系线图，展示染色体不同位置之间的联系，还可以用关系线图展示基因组中大片段的复制事件，易位变异以及遗传分析结果中的两位点互作等（图 3.5）。

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