多倍体花生基因组结构变异及其同源基因表达模式研究

来源 :福建农林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liuwu521
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多倍体化在被子植物中普遍存在,在基因组进化、物种分化和作物驯化中起着重要作用。异源多倍体是指由不同种祖先二倍体杂交形成的物种,特殊的进化条件往往使其分为多个亚基因组,被广泛应用于研究多倍体化引起的基因表达重塑事件。在多倍体化后,异源多倍体的亚基因组间往往存在着不同的差异表达及偏向,占据主导地位的同源基因通常是表型性状调控与分化的关键,对于明确作物育种与基因编辑目标有较大现实意义。异源四倍体栽培花生(Arachis hypogaea L.)是全球重要油料作物,由两个野生祖先二倍体A.duranensis(A基因组)与A.ipaensis(B基因组)杂交而来。本研究利用栽培花生种Arachis hypogaea var.fastigiata全基因组序列与不同组织及其发育阶段转录组数据进行了比较分析,探究多倍体植物同源基因表达模式及鉴定花生中具有遗传转化意义的功能基因。主要结果如下:1.栽培花生种亚基因组与祖先二倍体基因组间共线性分析发现基因组部分区域存在大段染色体结构变异(Structural Variation,SV)。首先观察到花生亚基因组A与A.duranensis在染色体A5/05、A7/07、A8/08和A9/09上存在倒位(Inversion)现象;其次可知亚基因组B与A.ipaensis在染色体B8/08和B10/10上出现倒位;最后得出亚基因组A与B之间在染色体06/16上出现一个倒位,在染色体01/11、05/15和09/19上分别出现两个倒位,以及在染色体07、08与17、18之间出现了易位(Translocation)现象。为探究结构变异对异源四倍体潜在影响,对于SV区域基因进行富集分析后发现亚基因组A与A.duranensis区域基因功能主要包括参与脂肪酸合成代谢过程正向调控、镉离子跨膜转运活性和DNA位点损伤等,亚基因组B与A.ipaensis区域基因功能主要包括参与叶片发育衰老过程正向调控、泛素蛋白连接酶结合和双链位点断裂等,亚基因组A与B区域基因功能主要包括参与脂肪酸合成过程正向调控、细胞壁富含羟脯氨酸糖蛋白代谢过程、细胞钾离子稳态和染色质DNA结合等。2.为探究花生亚基因组同源表达偏向(Homoeolog Expression Bias,HEB),对栽培花生种不同组织及其发育阶段的表达数据进行差异表达分析,其总体数目无显著差异,表达偏向亚基因组A的差异表达基因(Differentially Expressed Genes,DEGs)数目为2399个,偏向亚基因组B的DEGs数目为2536个。当单独考虑不同组织及其发育阶段时,仅在处理结节(Nodule)中DEGs数目差异显著。此外,在高度不对称差异表达的DEGs数目方面未存在差异。3.为在结构变异中寻找鉴定存在关键功能或具有重要意义的基因,以所有处理中存在同源表达偏向且RPKM表达值均大于10为标准进行基因筛选,结果所得代表性基因有Arachis112773.m1与Arachis056328.m1,前者功能预测为参与钙离子结合,后者在处理根(Root)、花(Flower)以及种子发育阶段6、7和8(Seed Patte stage6,7,8)呈表达值异常偏高现象。为进一步鉴定在栽培花生进化中存在重要意义的功能基因,于亚基因组同源基因间计算衡量选择压力的Ka/Ks值(非同义突变与同义突变的比率),结合差异表达分析后在SV区域内Ka/Ks值大于1且存在同源表达偏向的基因中鉴定出一对特殊的同源基因Arachis008103.m1和Arachis014643.m1,其在处理根(Root)中表达偏向于亚基因组A,在种子发育阶段7和8(Seed Patte stage 7,8)中表达偏向于亚基因组B,在其余处理中未存在表达偏向。其蛋白预测为胚胎发育晚期丰富蛋白,功能预测为对缺水和冰冻的反应以及蛋白质稳定化。除该同源基因对外其余所有基因在多处理中存在的表达偏向均统一。4.研究中特别鉴定到了具有生长素极性运输、钙离子结合、锌离子结合、缺水与冰冻的反应及蛋白质稳定化等功能的基因,如Arachis102399.m1、Arachis112773.m1、Arachis103236.m2、Arachis008103.m1、Arachis014643.m1等。同时也鉴定得出对于不同组织及其发育阶段存在较为显著影响的基因,如Arachis056328.m1、Arachis078529.m1、Arachis103236.m2、Arachis079443.m1等。以上所得基因均可在未来用于进一步遗传转化或基因编辑探究。本研究阐述了栽培花生及其祖先二倍体的结构变异,探究了亚基因组间同源表达模式,进一步证实了结构变异区域同源基因对于研究异源四倍体多倍化事件、亚基因组协同进化和同源基因表达调控模式存在重要理论意义。同时,结合表达鉴定到了具有影响栽培花生表型性状功能的基因Arachis112773.m1、Arachis056328.m1、Arachis008103.m1、Arachis014643.m1,该些基因可作为基因编辑的目标基因,为作物育种改良及花生基因工程等方面提供现实价值。
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