黑芥、白芥与野芥基因组从头测序、组装及系统基因组学研究
作者单位：华中农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：葛贤宏
授予年度：2022年
学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 09[农学] 071007[理学-遗传学] 0901[农学-作物学] 090102[农学-作物遗传育种]
摘 要：白芥属（Sinapis）,隶属于十字花科（Brassicaceae）芸薹族（Brassiceae）,与芸薹属（Brassica）具有十分近缘的进化关系,其中白芥（***,2n=24）和野芥（***,2n=18）是比较重要的两个物种。白芥种子被广泛作为调味品和传统中药;野芥常生长在油菜和小麦田中,是农业生产中的杂草。两个种均具有许多优良的性状,如耐旱、抗虫、抗病、抗裂角、低芥酸与低硫苷等,是芸薹属油料与蔬菜作物遗传改良的重要野生资源。前人通过细胞学、形态学及分子标记的研究,认为野芥与芸薹属的黑芥（***）具有非常近的亲缘关系,具有相同的祖先,而与白芥亲缘关系较远,但这些结果缺乏系统的基因组学证据。本研究中,我们对黑芥、白芥和野芥进行了全基因组测序、染色体水平的基因组组装以及系统基因组学分析,揭示了白芥、野芥与芸薹属物种的起源与进化关系。同时,基因组信息的释放,将为两个物种的优异基因在芸薹属栽培种遗传改良中的有效利用奠定基础。主要研究结果如下:1.染色体水平高质量基因组构建。采用三代（PacBio）与二代（MGI paired-end）及Hi-C测序技术相结合的方式进行基因组测序与组装,最终组装得到黑芥（519.23Mb）、白芥（439.17Mb）和野芥（452.28Mb）基因组,Contig N50分别为15.67Mb、7.44Mb和7.93Mb。多种评估方法均显示三个基因组的组装完整性好、准确性高。2.基因组重复序列和基因注释。通过从头预测和同源序列比对相结合的方法对基因组的重复序列进行注释,结果发现在黑芥、白芥和野芥中,重复序列分别占基因组的57.53%、58.33%和55.12%。通过从头注释、同源注释和转录组辅助注释相结合的方法进行基因注释。一共注释到54,855、41,127和48,463个蛋白编码基因,其中93.46%、95.05%和94.97%的基因至少被一个数据库功能注释。3.比较基因组学分析。系统进化树分析表明白芥与芸薹属和萝卜属共同祖先的分化时间在约12.54百万年前;野芥与黑芥在同一进化分枝,分歧时间在约6.67百万年前。白芥除与拟南芥共享的两次全基因组多倍化事件（At-α-WGD和At-β-WGD）外,还与芸薹属和萝卜属共享一次全基因组三倍化事件（Br-WGT）,时间约在20.28百万年前。4.基因组结构及共线性分析。基于芸薹族原始核型（tPCK）的共线性分析表明,白芥、野芥与芸薹属三个二倍体种白菜、黑芥、甘蓝以及萝卜属的萝卜具有良好的共线性关系。其中黑芥和野芥、白菜与甘蓝之间具有最佳的共线性关系。此外,白芥有两条染色体与tPCK中的两条染色体完全共线;白芥与萝卜有3条染色体共线。5.亚基因组显性分析。在六个芸薹族物种基因组中（白菜、黑芥、甘蓝、萝卜、野芥、白芥）,共检测到了26,039～29,078个位于三个亚基因组中的共线性基因,其中44.86%～43.60%、29.83%～30.34%和25.32%～26.36%分组为LF、MF1和MF2亚基因组,平均基因密度为0.459、0.312和0.269。此外,三个亚基因组分别有32.9%～36.9%,23.4%～27.5%和22.7%～27.5%的同源基因具有表达优势。位于LF亚基因组上的基因表现出了更强的选择压力,三个亚基因组均保留的基因具有位于更强的选择压力下。***基因分析。分别在黑芥、白芥和野芥中鉴定出307、123和313个NLR基因。黑芥和野芥NLR基因的数量多于其他四个二倍体物种,但少于芸薹属四倍体物种。在黑芥（B04）及野芥（Sar08）中检测到了一个富集NLRs基因的共线性区域,分别包含64与76个NLRs,在白菜、甘蓝和萝卜中,该区域分处在两条不同染色体上。总之,本研究完成了黑芥、白芥和野芥全基因组测序,获得了染色体水平的高质量基因组,明确了白芥属、芸薹属与萝卜属物种的系统进化关系,进一步证实了基因组三倍化后亚基因组基因间的显性关系,鉴定了1个NLRs富集区及其来源。
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