根瘤菌中共生相关基因和真菌中次生代谢基因簇的水平转移研究

发布时间：2020-06-04 03:52

【摘要】：基因水平转移是指生物将遗传物质传递给其它细胞而非其子代的过程,主要有接合、转导和转化等方式。基因水平转移可以使受体细胞快速获得新的分子功能,是微生物适应性进化的重要驱动力之一。大规模微生物比较基因组学分析可深化我们对基因水平转移过程和方式的认识和理解。本研究以基因水平转移为中心,提出了检测基因水平转移的新策略及其算法,在此基础上,深入分析了根瘤菌中的共生相关基因和真菌中次生代谢基因簇的水平转移的过程,并对Rhizobium属根瘤菌质粒进行了大规模的比较基因组学分析。一种新的探测近期发生的基因水平转移的计算方法分析了两对分别发生过(测试组)和未发生过(对照组)基因水平转移的Rhizobium属根瘤菌,发现对照组中所有直系同源基因的序列一致性指标值近似服从Weibull分布;测试组中直系同源基因一致性指标值的分布与常规Weibull分布之间存在显著偏离的区段。该区段显示的序列相似性极高,其中蕴含大量的水平转移基因。在此基础上,设计了基于期望最大算法估计水平转移基因数量的模型(RecentHGT)。RecentHGT能够准确探测近期发生的基因水平转移事件,且能应用于全基因组层面上是水平转移事件的检测,稳健性较好。菜豆根瘤菌中基因水平转移的探测基于Rhizobium、Sinorhizobium和Bradyrhizobium属中32个基因种的共77个根瘤菌菌株的基因组数据,使用RecentHGT检测其中的基因水平转移事件,发现包含共生相关基因在内的大规模基因水平转移事件是造成菜豆根瘤菌物种多样性的主要原因。Rhizobium属中的基因水平转移仅发生在菜豆根瘤菌之间,表现出明显的宿主专一性,而Sinorhizobium和Bradyrhizobium属菜豆根瘤菌则只与同属的大豆根瘤菌发生过基因水平转移,表现出大豆根瘤菌对菜豆的共生兼容性。Rhizobium属中的绝大部分的基因水平转移主要由共生质粒介导,且存在两种独立的转移类群。结合共生质粒的比较分析发现,其中一类不常见的基因水平转移类群可能与所在菌株对特定酸性土壤环境的适应有关。Rhizobium属根瘤菌质粒的比较基因组学研究构建“质粒-同源蛋白质簇”二分网络对49个Rhizobium属基因组完成图中的216个质粒进行比较基因组学分析,共筛选得到34个同源质粒簇,显示出Rhizobium属根瘤菌质粒的复杂多样性。同时,绝大部分菌株以其中4种成员最多的同源质粒簇(1个共生质粒簇和3个附属质粒簇)为基本组成。其余的同源质粒簇则不常见。进化分析表明共生质粒簇、不常见的质粒簇与4种常见质粒簇和主染色体之间的共同进化历史较短,很可能来源于近缘微生物质粒的转移。功能分析结果显示,共生质粒簇具有独特的和多样化的功能使其对宿主细胞与豆科植物的共生具有决定性作用;常见的附属质粒簇都有其各自特异的但又互相补充的对细胞生存至关重要的功能类别,其中一类附属质粒簇甚至编码了若干必需基因。此外,二分网络还提供了质粒之间基因交换、质粒的融合和分裂、宿主豆科植物对质粒的选择性以及质粒对环境的适应性等大量有意义的证据。真菌中fusidane型三萜类化合物合成基因簇的进化研究系统分析了三种fusidane型三萜类化合物合成基因簇的组成和进化。结果表明真菌中烟曲霉酸、夫西地酸和头孢菌素P_1三种合成途径的前期均由6个核心基因所催化的反应组成,具有共同的中间产物,后期则由各自特有的基因催化得到特定的产物。三种合成基因簇的进化历史较为复杂:1)其成员基因通过祖先的环化酶、P450单氧酶和酰基转移酶基因的基因复制事件以及三种脱氢酶基因家族的定向分化后逐渐形成。2)夫西地酸和头孢菌素P_1合成基因簇可能由古老的烟曲霉酸基因簇衍化而来。3)三种合成基因簇在真菌界中零星分布由合成基因簇整体的基因水平转移所致。综上,本研究系统分析了重要微生物中的基因水平转移现象,提出了一种新的探测基因水平转移的方法,系统阐述了共生相关基因的水平转移以及不同类型质粒对根瘤菌-豆科植物共生的影响,并提供了真菌之间次生代谢基因簇发生水平转移的证据。研究结果可深化对基因水平转移过程和机制的认识,有助于深入理解其对微生物适应性进化中的作用。
【图文】：

3图 1-1. 基因水平转移的机制(Soucy et al. 2015)接合转移：在供体细胞与受体细胞的直接物理接触下，单链 DNA 形式的遗传物入受体细胞中。（b）细胞融合: 在细胞接触与细胞桥形成后，发生在两个细胞。（c）转导：供体基因组 DNA 的某一片段被装载如噬菌体头部，再通过噬菌体基因组中。噬菌体用红色表示。（d）基因转移中介体：一些基因元件，它们类失去了识别并包装自己的 DNA 的功能，将宿主基因组 DNA 的随机片段包装后基因组中。溶原性噬菌体就是一种基因转移中介体。（e）转化: 细菌从周围环

西北农林科技大学博士学位论文粒体是来源于 α-变形菌细胞，叶绿体是来源于蓝细菌的共生起源（symbiogenesis）概念(Doolittle 2000)。Doolittle 等进一步推测：LUCA 不是一个特定的物种或者说生命之树没有一个根，而是许多不同原始细胞形成的松散团块。这些原始的细胞，每一个都拥有少量的并存在明显差异的基因，且这些细胞之间能够自由的交换这些差异基因(Doolittle 2000)。Gogarten、Boto 和 Soucy 等科学家都支持了这一论点并且提出之前用树的结构来对构建所有生物之间的系统发育关系已经无法适应越来越多基于基因组的结果，而应该结合网络（network）分析来构建“生命之网”（web of life）描述生物之间的亲缘关系，，特别是展示出微生物间频繁发生并在进化中发挥重要作用的基因水平转移过程(Boto 2010; Gogarten 2000; Soucy et al. 2015)。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q933


本文编号：2695850