杜仲基因组分析及适应性和橡胶生物合成的分子基础研究

发布时间：2018-01-15 00:15

  本文关键词：杜仲基因组分析及适应性和橡胶生物合成的分子基础研究　出处：《中国林业科学研究院》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：杜仲(Eucommia ulmoides Oliv.)具有重要的经济价值。作为第三纪孑遗植物,广泛分布于中国,适应性极强,杜仲也是唯一的生长于亚热带和温带的硬性橡胶植物。目前,关于杜仲基因组的信息较少,严重阻碍了杜仲的分子育种及对杜仲资源的深度开发与利用,因此,本研究对杜仲开展基因组测序、组装及分析,对杜仲基因组的信息进行全面解读,揭示杜仲适应性及橡胶生物合成的分子基础。主要研究结果如下:1、获得高质量的杜仲基因组。作为绞木目第一个测序的基因组,杜仲基因组的杂合度高达1.0%,重复序列占杜仲基因组的61.24%,因此,在杜仲基因组测序组装策略上,本研究采用第二代测序技术结合第三代测序技术对杜仲基因组进行高通量测序,共获得原始数据156.24 Gb,测序深度为131.29×,过滤后得到高质量数据99.85 Gb,测序深度为83.91×。为了进一步提高杜仲基因组的组装质量,本研究利用单分子光学图技术对杜仲基因组进行辅助组装,组装后得到杜仲基因大小为1.18 Gb,覆盖杜仲预测基因组(1.19 Gb)大小的99.16%。杜仲基因组组装的contig N50、scaffold N50和super scaffold N50长度分别为17.06 kb、1.03 Mb和1.88 Mb,其中18928个super scaffolds(2 kb)的总长度覆盖了98.84%的杜仲基因组。另外,组装的杜仲基因组覆盖87.07%-95.09%的RAN-Seq数据、98.72%的表达序列标签(EST)及93.55%的核心真核基因,上述结果均说明杜仲基因组组装的完整性与准确性。2、杜仲基因的注释。结合从头预测、同源预测和RNA-seq预测的方法,对杜仲基因组中的基因进行注释。杜仲基因组中共含有26 732个基因,其中24 891个基因的功能被注释,占注释基因总数的93.14%。;另外,非编码RNA中tRNAs、microRNAs、rRNAs和snRNAs的数量分别为1 281个、526个、275个和1 119个,转录因子72个家族,共1 315个基因。杜仲基因组含中共注释出重复序列723 Mb,约占杜仲基因组大小的61.24%。重复序列的主要类型为Gypsy类型转座子和Copia类型转座子,分别占杜仲基因组大小的16.70%和13.22%。与其他植物相比,杜仲基因较大,其主要原因是由于重复序列较多所导致,而其中Copia类型转座子对杜仲基因组的扩张贡献较大。通过筛选杜仲基因组测序数据,拼接得到杜仲叶绿体基因组序列。杜仲叶绿体基因组全长为163 341 bp,共注释115个基因,其中包括80个蛋白编码基因、31个tRNA和4个rRNA;共获得29个SSR位点,大多位点富含A和T,具有碱基偏好性。杜仲叶绿体基因组的LSC区具有3个大的序列重排区域,其重排长度几乎覆盖了全部LSC区。与芝麻和烟草的叶绿体基因组相比,杜仲叶绿体基因组在反向重复区缺少序列变异。杜仲叶绿体基因组两个IR区具有完整的ycf1基因,导致了杜仲叶绿体基因组的IR区发生了明显的扩张。3、确定了杜仲的系统分化地位。基于基因组与RAN-Seq数据,确定了杜仲的系统分化地位。杜仲属于绞木目,与桔梗类植物和唇形类植物为姐妹分支,为被子植物菊分支的基部类群。杜仲与唇形类植物的分化时间大约在129百万年前,可追溯到白垩纪时代。与共有祖先的菊分支植物相比,杜仲仅发生一次古老的全基因组复制事件(whole-genome duplication,WGD),缺少近期独立的WGD;另外,杜仲与猕猴桃、番茄和葡萄的共线性分析的结果进一步支持了杜仲只经历了一次WGD。4、揭示杜仲环境适应性的分子基础。通过分析杜仲基因组中的扩张基因发现,抗病虫相关基因如病程相关蛋白(PR17)、胼胝质合成酶(Callose synthase)和突触融合蛋白(Syntaxins 12)发生了明显的扩张现象;与非生物胁迫相关基因如水通道蛋白(PIP1)、热击蛋白(HSP90)、金属硫蛋白(MT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)在杜仲不同的发育时期及不同的组织中均有较高的表达;另外,通过分析杜仲次生代谢物质合成途径发现,参与合成木脂素类、生物碱类及黄酮类化合物相关的肉桂醇脱氢酶(CAD)、异胡豆苷合酶(STR)、铜胺氧化酶(CAO)和查尔酮异构酶(CHI)发生了明显的扩张现象。综上所述,杜仲具有对环境适应性及较强的抗病虫害能力主要是通过上述抗性相关基因及次生代谢物质合成相关基因的扩张或持续高表达来提高杜仲的抗逆性及环境适应性。5、解析杜仲橡胶生物合成的独立起源。杜仲橡胶生物合成上游基因在基因组中尚未出现扩张现象,但有趣的是,杜仲橡胶生物合成下游的反式聚异戊二烯合成关键酶法尼基焦磷酸合酶(FPS)和橡胶延伸因子(REF)/小颗粒橡胶蛋白(SRPP)在杜仲基因组中存在显著扩张现象。进化分析表明,杜仲和三叶橡胶的Ⅱ类FPS和REF/SRPP扩张基因归属于独立分支,且FPS特异进化出长链合成功能域(Ⅱ类FPS,即EuFPS1、EuFPS3和EuFPS5),暗示着双子叶植物橡胶生物合成过程可能是独立起源。结合杜仲与三叶橡胶相关基因的时空表达模式及橡胶积累规律,提出了杜仲和三叶橡胶的橡胶生物合成途径的不同模式,即杜仲橡胶(反式橡胶)生物合成主要依赖杜仲Ⅱ类FPS基因和SRPP基因,而三叶橡胶(顺式橡胶)生物合成主要依赖于CPT基因和REF基因。
[Abstract]:Eucommia ulmoides Oliv . In order to improve the quality of the genome of Eucommia ulmoides Oliv . Of these , the functions of 24,891 genes were annotated , accounting for 93.14 % of the total number of annotation genes . In addition , the total length of the chloroplast genome of Eucommia ulmoides is 1670 % and 13.22 % of the genome of Eucommia ulmoides Oliv . In this paper , it was found that the biosynthesis of Eucommia ulmoides and trifolious rubber was mainly dependent on Eucommia ulmoides 鈪，

本文编号：1425940