牦牛基因组遗传变异图谱和高原适应的转录组研究

发布时间：2017-07-29 08:08

  本文关键词：牦牛基因组遗传变异图谱和高原适应的转录组研究

  更多相关文章： 牦牛 重测序 基因组变异图谱 育种 高原适应 基因表达

【摘要】：牦牛(Bos grunniens)是青藏高原的关键物种,也是世界上生存在高寒缺氧环境中的大型稀有家畜和中国特有畜种。千百年来,牦牛对维系藏民族的繁衍生息起着不可替代的作用,不仅为当地游牧民提供着衣、食、住、行等最基本的生产与生活资料,也是藏传佛教和藏文化传承与发展的重要载体。然而由于长期过度的选育和纯繁,导致现有家养牦牛品种的流失较为严重,尤其是与其抗病性、肉质等相关性状的退化已相当严重,极大的影响了青藏高原及周边地区农牧业生产的稳定性；因此对牦牛种质和遗传资源进行保护和利用将为今后牦牛优良品种的培育提供重要基础。此外,牦牛作为世界上生活在海拔最高处的哺乳动物,经过长时间的自然选择,对青藏高原地区恶劣的自然环境(如低氧、低温、稀缺的食物)有着极强的适应能力,使其成为研究极端环境适应性的极佳模式物种。所以,在本文中我们主要针对以下两个重要科学问题进行研究：(1)建立基因组水平、包含野生牦牛和家养牦牛遗传资源的遗传变异图谱,为牦牛的育种研究和品种改良提供重要遗传资源,并为牦牛和其他牛科物种的遗传多样性研究奠定基础；(2)通过比较转录组学分析,从基因表达调控的角度揭示牦牛适应高原极端环境的分子机制。(1)牦牛基因组遗传变异图谱我国拥有12个牦牛地方品种,但不同品种之间并无显著差异,且在不断地纯繁下都存在品种退化的问题。与此同时,家养牦牛的野生祖先——野牦牛现今依然存活,是青藏高原珍贵的野生畜种资源,将野牦牛基因资源引入到家牦牛的品种改良中,能够为新品种的开发和培育提供重要的遗传资源,也是牦牛育种的关键方向。然而迄今为止,仍然没有对牦牛基因组水平的遗传变异研究,限制了牦牛的遗传和育种研究工作。在本研究中,我们利用最新算法对牦牛基因组进行了优化,将基因组序列N50从1.5M提升到了2.6M,完善了基因组序列的连续性和准确性。在此基础上,我们使用二代测序技术对三头家养牦牛与三头野生牦牛进行了平均覆盖度为5×的全基因组测序,这些序列涵盖了95%以上的牦牛基因组区域,通过分析我们共鉴定了838万个单碱基突变(714万个为首次发现)、38万个插入缺失和12万个结构变异。此外,我们发现家养牦牛和野生牦牛共享了大多数遗传变异,且两个群体之间的遗传距离较近,说明牦牛驯化处于初期阶段。利用这一遗传变异图谱我们鉴定了可能在家养牦牛中受选择的区域,这些区域包含基因的功能主要与家养牦牛的免疫能力和性格有关。这些结果均以可视化的方式展现在牦牛数据库中(http://me.lzu.edu.cn/yak/),能够为牦牛遗传多样性和遗传育种研究提供有价值的资源。(2)高原适应的转录组研究尽管目前已经识别和鉴定了多个与低氧应答相关的关键调控基因,但是这些研究仅仅停留在核酸序列水平的分析上,我们仍然无法得知这些基因的表达模式,以及由这些基因所组成的调控网络,使得这些研究成果难以应用于基础医学研究和临床实践。在本文中,我们对牦牛和其低海拔的近缘物种黄牛的四个组织：心脏、肝脏、肾脏和肺脏,进行了转录组测序,通过比较转录组分析,从转录调控水平和基因表达水平对牦牛适应高原极端环境的分子机制做了深入的阐释。研究发现,牦牛基因的转录调控在如下几个方面针对高原低氧环境发生了改变：(i)心脏和肺脏的表达模式上在两个物种中具有较大的差异,其差异表达基因主要与心肌调节,钙离子转运和造血干细胞通路ko04640等功能相关；我们推测牦牛主要通过神经调节和体液调节两个途径共同作用(CHRNA3和SNCA),增强了心肌收缩功能,进而提高血氧运输能力；(ii)牦牛在长期适应高原的过程中,对肺动脉高压和神经兴奋性中毒等低氧胁迫引发的疾病有预防能力,抑制血管平滑肌扩增的BMPR2和调节谷氨酸吸收的HIT、SLC1A1、 SLC1A2等差异表达基因在此过程中可能发挥了重要作用；(iii)与物质能量代谢相关的基因和通路(核糖体通路ko03010、氧化磷酸化通路ko00190)在序列变异和表达调控两个水平发生了显著改变,这种变化与牦牛较高的代谢效率密切相关,也为降低整个机体的氧气消耗提供可能。
【关键词】：牦牛 重测序 基因组变异图谱 育种 高原适应 基因表达
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S823.85
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 研究背景12-38
• 1.1 牦牛12-22
• 1.1.1 牦牛的起源与驯化12-16
• 1.1.2 牦牛的育种现状16-19
• 1.1.3 牦牛的高海拔适应研究19-22
• 1.2 家养动物育种的研究进展22-30
• 1.2.1 驯化与育种22-25
• 1.2.2 分子育种25-30
• 1.3 高海拔适应机制的研究进展30-35
• 1.3.1 高海拔适应的分子机制31-32
• 1.3.2 基因组学研究32-33
• 1.3.3 转录组学研究33-35
• 1.4 研究意义和科学问题35-38
• 1.4.1 牦牛基因组遗传变异图谱37
• 1.4.2 牦牛高海拔适应的分子机制37-38
• 第二章 材料与方法38-51
• 2.1 牦牛基因组遗传变异图谱38-47
• 2.1.1 牦牛基因组的升级38-42
• 2.1.2 样品采集与DNA测序42
• 2.1.3 全基因组遗传变异的鉴定42-45
• 2.1.4 群体基因组学分析45-46
• 2.1.5 遗传变异图谱的可视化46-47
• 2.2 牦牛高海拔适应的分子机制47-51
• 2.2.1 样品采集与RNA测序47
• 2.2.2 差异表达分析47-48
• 2.2.3 组织间表达相关性比较48-49
• 2.2.4 多组织差异表达基因49-51
• 第三章 研究结果51-73
• 3.1 牦牛基因组遗传变异图谱51-62
• 3.1.1 基因组组装与注释51-52
• 3.1.2 样品采集与测序52-54
• 3.1.3 全基因组遗传变异54-58
• 3.1.4 群体基因组学分析58-60
• 3.1.5 遗传变异图谱的可视化60-62
• 3.3 牦牛高海拔适应的分子机制62-73
• 3.3.1 样品采集以及转录组测序62
• 3.3.2 表达模式分析62-65
• 3.3.3 差异表达基因65-69
• 3.3.4 多组织差异表达基因69-73
• 第四章 讨论73-85
• 4.1 牦牛基因组遗传变异图谱73-79
• 4.1.1 基因组的升级73-74
• 4.1.2 家养牦牛与野生牦牛的遗传分化74-75
• 4.1.3 家养牦牛的驯化75-77
• 4.1.4 遗传变异图谱和分子育种77-79
• 4.2 牦牛高海拔适应的分子机制79-83
• 4.2.1 牦牛与黄牛表达模式的差异79-80
• 4.2.2 差异表达基因对低氧胁迫的应答80-81
• 4.2.3 多组织差异表达基因81-83
• 4.3 总结与展望83-85
• 参考文献85-98
• 在学期间的研究成果98-99
• 致谢99

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本文编号：588148