玉米Opaque7基因的精细定位及其所在染色体区段的重组特性分析

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玉米(Zea mays L.)是世界上主要的粮食和饲料作物,也是植物分子遗传研究的重要模式生物。作为粮食和饲料作物,虽然玉米的年产量是全世界经济作物中最高的,但是其储藏蛋白的质量不高,主要表现在其中某些必需氨基酸,如赖氨酸、色氨酸和苏氨酸含量较低。Opaque7(o7)作为一种能显著降低玉米籽粒中19kDα-醇溶蛋白从而改变玉米籽粒中醇溶蛋白和非醇溶蛋白比例,提高整体赖氨酸含量的基因,在培育优质蛋白玉米(QPM)的过程中有着很大的潜力。为了获得o7基因,本研究采用图位克隆的策略,对o7基因进行了精细定位。我们首先通过一个2055株的BC群体将o7基因定位到两个BAC的范围内,然后利用“鸟枪”法测序获得两个BAC的序列。在分析BAC序列的基础上,经过开发新的分子标记和扩大筛选群体到4129单株,最终将o7基因定位在了146 kb的范围内,位于分子标记IDPg12A和SNPg19A之间,对此区域的序列进行基因预测表明,还有8个候选基因。 在进行o7基因的定位实验中,我们在10号染色体长臂上发现了一段长279 kb的区域存在重组不均衡的现象。在筛查了4129株BC群体之后,发现了20次重组事件。这279 kb区段上有20个预测基因,是一个高基因密度区,同时重组活性也比基因组均值要高,而且重组在这个区域里的分布并不是均一的。在这个区段中,遗传距离和物理距离的比值相差40多倍,从0.3 cM/Mb到13.0 cM/Mb不等。为了进一步详细的了解遗传距离和物理距离之间的关系,我们根据定位实验中开发的一些分子标记,将这279 kb区段划分成5个亚区。在这些亚区中,既有重组热点,也有重组冷点。亚区A和B都是重组热点,本实验中的2/3以上的重组事件都发生在A亚区,该亚区的重组率为13.0 cM/Mb,约为基因组均值的16倍,是本279 kb区段中最高的。B亚区也是一个高基因密度的重组热点。这两个区域的特性都吻合了之前人们对于重组与基因密度正相关的预测。到目前未知,人们对于重组特性研究大多集中于重组热点。但在我们研究的D亚区,这个重组冷点的特性却与重组和基因密度正相关的预测不一致。在D亚区中有四个完整的基因,基因密度约为平均15.5 kb-个,高出基因组均值2倍多。但D亚区的重组率只有0.4 cM/Mb,是基因组均值的一半左右,显然不能算是一个重组热点。所以,D亚区是一个高基因密度的重组冷点。 为了找出导致D亚区这种异常现象的原因,我们调查了该亚区在构成群体的两个亲本间的序列和甲基化程度的多态性。首先,我们调查了这个62 kb的区段中所预测到的基因的表达状况,经比对玉米EST库和RT-PCR的分析表明所预测到的6个基因都是真基因,并没有发现基因缺失的现象;其次,我们通过Southern杂交和LD-PCR的方法在该区段内发现了一个约6 kb的插入缺失多态;再次,通过用甲基化敏感的内切酶酶切,以用特异性探针杂交亲本基因组调查了整个区段的甲基化状况,发现一个大的反转座子区域均被完全甲基化了,其周边的一些位点也存在一些在不同亲本中呈现不同甲基化状态的位点;最后,我们还发现,该区域的两侧均为大的巢式反转座子块,重组率都很低。因此,我们推断一个亲本中出现的大片段插入、核苷酸的甲基化以及该区域两侧的大片段反转座子区域共同作用使得这个包含了6个基因的高基因密度区成为一个重组冷点。
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