石刁柏核基因组NUPTs组成和染色体定位研究

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在植物中,质体DNA向核基因组的转移是一种普遍的遗传物质水平转移现象,转移到核基因组的质体DNA称为核质体DNA(Nuclear plastid DNA,NUPTs),NUPTs在核基因组中的插入可以引起核基因组变异及染色体结构重排,是基因组及染色体组演化的重要推动因素之一。石刁柏(Asparagus officinalis)为雌雄异株经济作物,具有2n=20条染色体,同型XY性染色体决定性别,其染色体组处于演化的不稳定阶段。但是哪些因素引起了石刁柏染色体组的不稳定尚不清楚。因此,本文利用生物信息学及分子细胞遗传学技术对石刁柏核基因组中的NUPTs进行注释及分析,对包括Y染色体在内的不同染色体上的NUPTs分布模式进行中期染色体定位。主要结果如下:  1、生物信息学分析表明,石刁柏核基因组中共有2,239个NUPTs序列的插入,总长度为565,970bp,占核基因组的0.047%。NUPTs在不同染色体上的插入长度不同,Y染色体插入平均长度最长,显著高于其他染色体,每Mb基因组中有778bp的NUPTs序列,且存在一个插入热点区域。其次,不同染色体上插入的NUPTs数量也存在较大差异,Y染色体上的NUPTs数量最多,每100Mb基因组中有272个NUPTs,这说明NUTPs在石刁柏Y染色体上具有更多的累积。同一染色体上NUPTs的插入位置是不均匀的。对10条染色体上基因密度、NUPTs长度和转座子长度的共定位模式分析表明,石刁柏基因组中NUPTs和转座子存在显著的共定位关系,2,239个NUPTs中有1,690个NUPTs侧翼序列为转座子序列,比例达到75.5%,显著高于随机序列和转座子共定位的比例(51.6%)。对NUPTs的叶绿体基因组来源分析表明,石刁柏叶绿体基因组中的反向重复区(Inverted repeat,IR)、短单拷贝区(Small single copy,SSC)和长单拷贝区(Large single copy,LSC)均能够向核基因组转移,但是转移的频率不同,IR、LSC和SSC区来源的NUPTs频率分别为27.9个/Kb、14.6个/Kb和15.9个/Kb,这说明IR区序列更容易向核基因组转移。  2、为了对NUPTs在染色体上的位置进行定位,我们将叶绿体基因组进行按照约每4,000bp为一序列单元进行扩增,将回收纯化的序列进行中期染色体荧光原位杂交(Fluorescence in situ hybridization,FISH)。结果表明,共28个探针序列中有23个探针获得稳定的中期染色体FISH杂交信号。其中LSC区来源的15个;IR区来源的6个;SSC区来源的2个。NUPTs在染色体上的分布位置存在三种模式,其中4个序列定位于着丝粒及着丝粒侧翼区,12个序列在染色体上弥散分布,7个序列特异分布于某特定染色体。根据NUPTs序列的来源来看,LSC和SSC区来源序列主要定位于染色体臂和着丝粒位置,IR区序列主要定位于染色体的着丝粒位置。更为重要的是,我们获得了3个Y染色体特异的NUPTs序列,主要定位于Y染色体的着丝粒区,这也说明NUPTs的插入可能参与了石刁柏性染色体的演化过程。
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