白菜参考基因组升级与染色质互作分析

发布时间：2020-07-23 14:02

【摘要】：白菜属于十字花科(Cruciferae)芸薹属(Brassica),是芸薹属中第一个进行全基因组测序的作物,其基因组数据为白菜类作物的遗传改良以及芸薹属其他作物的基因组组装提供了重要参考依据。白菜参考基因组第一个版本(v1.5)于2011年组装完成,其序列长度为283.8 Mb,contig N50值为46 kb。第二个版本(v2.0)于2017年组装完成,进一步更新v2.0版本的scaffolds的连接关系,最终获得v2.5版本参考基因组,其组装序列长度为389.2 Mb,contig N50值为53 kb。由于受到测序技术的限制,两个版本(v1.5和v2.5)都存在基因组连续性差、组装错误和重复序列组装率低等问题。白菜是经历基因组多倍化的物种,其不仅经历了十字花科植物共有的全基因组复制(WGD)事件,而且在近期经历了一次芸薹属特有的全基因组三倍化(WGT)事件。真核生物的基因表达调控以及调控元件之间的相互作用需要在染色质折叠形成的三维结构中完成,染色质的折叠导致不同位置的染色质产生互作。目前有关白菜染色质互作的研究相对较少,WGT事件对白菜染色质互作的影响并不清楚。本研究利用第三代测序技术对白菜参考基因组进行组装升级,获得了高质量的白菜参考基因组v3.0版本,系统地比较了不同版本的基因组差异,并且详细地阐述了 WGT事件对白菜染色质互作的影响。主要研究结果如下:1.利用第三代测序技术(PacBio)、光学图谱技术(BioNano)和全基因组染色质构象捕获(Hi-C)等对白菜参考基因组进行从头组装和重新注释,获得了白菜参考基因组v3.0版本,其序列总长度为 353.14 Mb,contig N50 值为 1.45 Mb,scaffold N50 值为 4.45 Mb,仅含有 1,301 条scaffolds和389个gaps。本研究将白菜参考基因组的序列连续性提升近30倍,其contig N50值由46 kb(v1.5)和53 kb(v2.5)提升到1,446 kb(v3.0),并且v3.0版的gaps数量和长度远小于v2.5版和v1.5版。在v3.0中预测到45,985个编码蛋白基因,其中大部分基因(97.75%)位于染色体上,而只有极少部分(1.25%)基因位于未锚定染色体的scaffolds上。在白菜参考基因组v3.0中预测的重复序列(134 Mb)占全基因组序列的37.51%。2.通过比较三个版本的基因组注释结果,发现v3.0版的注释质量明显高于v2.5和v1.5。在v3.0中检测到2,077个串联重复基因簇,低于v2.5的3,535个串联重复基因簇。全基因组共线性分析表明,v2.5中存在的组装错误可能是导致其串联基因数量远高于其他两个版本的原因。在v3.0中预测到13,318个全长长末端重复反转座子(LTR-RTs),远高于v2.5(4,129个)和v1.5(801个)的全长LTR-RTs数量,并且在v3.0中检测到一次全新的转座子爆发事件,这些结果更新了人们之前对白菜基因组转座子扩增的认识。本研究重新构建了白菜三个亚基因组,明确了白菜基因组区段的顺序和方向,并且准确地预测白菜基因组的着丝粒和端粒位置。3.基于白菜全基因组Hi-C数据,本研究详细地分析了 WGT事件对白菜染色质互作的影响,并且比较了白菜和拟南芥的旁系同源基因间的染色质互作规律。通过高分辨率的全基因组染色质互作图谱发现白菜染色体内部的互作高于染色体之间的互作,并且白菜着丝粒之间、端粒之间的染色质互作明显。本研究检测到426对白菜旁系同源基因存在染色质互作,存在互作的比例为3.31%,其全部互作频次为1,022次,平均互作频次为2.40次。通过比较拟南芥和白菜的旁系同源基因的染色质互作,结果表明8.50%拟南芥旁系同源基因间的染色质互作在白菜基因组中保留下来,但是大部分拟南芥染色质互作在白菜基因组中已经发生丢失。综上所述,本研究利用PacBio、BioNano和Hi-C等技术获得高质量的白菜参考基因组v3.0,并且基于v3.0版的基因组进行了白菜全基因组的比较基因组学和全基因组染色质互作研究。本论文的研究成果不仅为白菜类作物的遗传改良工作奠定基础,同时也为十字花科植物的比较基因组学及染色质互作研究提供了重要的数据资源。
【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】：S634
【图文】：

（Ｓｒａｗ／ｃａ）是十字花科（Ｃｒｕｃｉｆｅｒａｅ）植物中最重要的一个属，其属内包括多种和饲料等作物。芸薹属作物主要由白菜、甘蓝、黑芥、芥菜、甘蓝型油菜和埃个物种构成：其中包括三个基本种，分别是白菜（Ｓｒｏｓｓ／ｃａ邋ｒａｐａ，ＡＡ，邋ｎ＝１０）、．ｇｒａ．邋ＢＢ，邋ｎ＝８）和甘蓝（Ｓｒｏｗ／ｃａ邋ｏ／ｅｒａｃｅａ，邋ＣＣ，邋ｎ＝９），以及由这３个基本种经过个复合种，分别是芥菜ＡＡＢＢ，邋ｎ＝１８）、甘蓝型油菜（Ｂｒａｗ／ｃａ逡逑）和埃塞俄比亚芥（５／ｍｓ／ｃａｃｆｌＷ？ａ／ｆｌ，ＢＢＣＣ，ｎ＝１７）（图Ｍ）。芸薹属的六个物“禹氏三角”（Ｕ’ｔｒｉａｎｇｌｅ邋ｔｈｅｏｒｙ），由Ｎａｇａｈａｒｕ邋（１９３５）在总结前人的研究基础间杂交以及染色体数目等证据提出的。“禹氏三角”理论使人们首次明确了芸薹变种间的亲缘关系，极大地引导了芸薹属作物的远缘杂交工作，促进了基本种组信息交流，推进了芸薹属作物的品种选育和遗传改良工作。逡逑．邋／？即ａ）起源于中国，在世界各地具有悠久的栽培历史，是芸薹属的一类重要的遗传资源和广泛的形态变异，可为人们提供丰富的鲜食蔬菜、膳食纤维、维目前已公布两个版本（ｖｌ．５和ｖ２．５）的白菜参考基因组（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１１；Ｃａｉｅ个版本的白菜基因组资源为白菜类作物的遗传改良工作奠定了基础，同时也为基因组组装升级提供重要参考。但是由于受到测序技术的限制，目前两个版本（菜参考基因组存在基因组连续性差、组装错误和重复序列组装率低等问题。逡逑

的ｒｅａｄｓ长度，最后生成纠错后的ｒｅａｄｓ；第二步是打断步骤。Ｃａｎｕ软件会对原始ｒｅａｄｓ中不被支逡逑持的区域进行打断，以得到最大的支持长度；第三步是组装步骤。Ｃａｎｕ软件识别测序错误，然逡逑后构建最优的重叠关系图，最后输出最终的ｃｏｎｔｉｇｓ邋（图１－５）。研究表明，Ｃａｎｕ软件组装效果要逡逑优于Ｆａｌｃｏｎ软件，即在相同组装错误率的前提下，Ｃａｎｕ软件组装基因组占用计算机内存更小；逡逑在相同基因组大小的前提下，Ｃａｎｕ软件组装的基因组的错误率更低（Ｋｏｒｅｎ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１７）。逡逑１．１．３染色体锚定方法逡逑染色体序列重建是基因组组装非常重要的工作，是指将ｓｃａｆｆｏｌｄｓ锚定到染色体上，得到完整逡逑染色体序列的过程。目前，常用的染色体锚定方法有基于物理图谱或者遗传图谱等传统方法和基逡逑于光学图谱技术或者染色质构象捕获技术等新的锚定方法。逡逑（１）传统的锚定方法逡逑传统的染色体锚定方法有基于物理图谱和遗传图谱的两种方式，前者主要是通过序列的重叠逡逑关系来确定ｓｃａｆｆｏｌｄｓ在染色体上的位置信息，后者主要是利用减数分裂时期的姐妹染色单体联会逡逑后的重组率来判断ｓｃａｆｆｏｌｄｓ在染色体的排序和方向。在实际操作过程中，传统的锚定方法存在实逡逑验难度大、成本高和实验误差大等问题。逡逑５逡逑

释环境中进行平末端填平反应，以促进交联的染色质片段之间的连接；随后使用超声波对捕获的逡逑ＤＮＡ片段进厅打断处理，最后将被生物素标记的ＤＮＡ片段通过Ｉｌｌｕｍｉｎａ平台进行测序，得到全逡逑基因组染色质互作矩阵（Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ－Ａｉｄｅｎｅｔａｌ．，２００９）（图１－７）。将得到的ＤＮＡ序列比对到参考逡逑基因组上，如果一对序列对应于不同位置的酶切片段，那么就认为这两个片段之间有一次染色质逡逑互作，从而能够构建基因组中所有酶切片段之间互作频率矩阵。逡逑７逡逑

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本文编号：2767419