菠菜基因组重复序列分析及染色体定位

作     者：王冰肖 

作者单位：河南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李书粉

授予年度：2019年

学科分类：09[农学] 0902[农学-园艺学] 090202[农学-蔬菜学] 

主      题：重复序列 卫星DNA 性染色体 菠菜 转座子 微卫星 遗传多样性 

摘      要：重复序列主要包括转座子（transposable element,TE）和以卫星DNA（satellite DNA）及微卫星（microsatellite）为主的串联重复序列,在植物基因组中占据很大的比例。基因组重复序列分析对了解植物基因组结构及进化具有重要意义。菠菜（Spinacia oleracea L.）是一种研究性别决定及性染色体进化的雌雄异株模式植物,对其基因组重复序列的详细分析可为深入研究其基因组结构及进化提供重要基础资料。本研究采用生物信息学分析和荧光原位杂交（Fluorescence in situ hybridization,FISH）等技术对菠菜基因组重复序列进行分析及染色体定位,主要结果如下:1、利用LTRharvest、LTRdigest等软件对菠菜基因组转座子进行鉴定及分析。共鉴定出16,002个全长转座子序列,其中含量最多的为长末端重复反转座子（long terminal repeat retrotransposon,LTR-RE）。LTR-REs中Copia含量多于Gypsy,其中Angela是Copia类反转座子中最多的家族,而Ogre/Tat是Gypsy类反转座子中最多的家族。LTR-REs在菠菜基因组中平均插入时间约为1.42 MY（million years）,约83.7%的反转座子是在最近的两百万年间新插入的。采用de novo从头预测、基于结构和基于相似性分析相结合的策略通过RepeatMasker软件对菠菜基因组转座子进行注释,结果显示转座子占菠菜基因组的64.05%,其中LTR-REs、non-LTR-REs以及DNA转座子在基因组所占比例分别为49.2%,2.4%和5.6%。FISH杂交结果显示大多数LTR-REs弥散分布在所有染色体上,而CRM家族仅分布在所有染色体的着丝粒区域,此外Ogre/Tat家族在性染色体上分布较多。2、利用TAREAN对菠菜基因组测序的原始reads进行卫星DNA分析。共鉴定出3个卫星DNA序列:Spsat1、Spsat2和Spsat3。这三个卫星DNA的单体长度分别为52 bp,365 bp和325 bp,FISH结果表明Spsat1杂交信号主要集中在3号和4号染色体的端粒区域,其中3号染色体短臂端粒信号较强,长臂端粒信号相对较弱,而4号染色体的杂交信号主要分布在长臂端粒区域,Spsat2和Spsat3的杂交信号位于性染色体长臂末端。基于FISH定位的卫星DNA及45S rDNA探针共杂交的信号分析,成功构建了菠菜染色体分子核型。在性染色体上分布较多的Ogre/Tat转座子家族以及特异分布于性染色体上的卫星DNA序列Spsat2和Spsat3可能在菠菜性染色体演化过程中起一定作用。3、本研究对菠菜全基因组微卫星的频率和分布进行了分析,共鉴定了261,002个微卫星位点,发生频率约为262.1位点/Mbp。其中含量最多的是四核苷酸和三核苷酸,分别占微卫星总数的33.2%和27.7%。共设计105对引物进行微卫星扩增,其中34对引物在品种间具有多态性,结合文献报道的7对多态性引物,共利用41对引物对我国43个菠菜品种进行遗传多样性分析。结果显示,41个标记的平均多态性信息含量值为0.43且处于中等水平。菠菜品种间遗传多样性较低,UPGMA进化树图中各类群间不存在共同品种。研究结果有助于深入探究菠菜基因组结构组成,且为我国菠菜育种提供基础资料。