禾本科叶绿体基因组大小和结构变异初探

	禾本科叶绿体基因组大小和结构变异初探
其他题名	A primary study of chloroplast genome in Poaceae
	武志强
学位类型	博士
导师	葛颂
	2011
学位授予单位	中国科学院植物研究所
关键词	叶绿体DNA Solexa 高通量测序 PCR 直接扩增测序基因组大小结构变异系统发育
摘要	叶绿体是植物进行光合作用的场所，是一种半自主复制的细胞器，拥有独立的遗传物质–叶绿体DNA（cpDNA）。从1986 年首次获得烟草(Nicotianatabacum)(Shinozaki et al., 1986)和地钱(Marchantia polymorpha)(Ohyama et al.,1986)叶绿体基因组的完整序列以来，在NCBI 数据库中已经公布完整叶绿体基因组的物种就达200 多个。迄今关于叶绿体基因组的研究都是针对不同物种分别完成然后再进行物种间的比较，很少有研究在一个设计好的系统框架之下来进行比较基因组研究。一来是缺乏很好的研究框架的体系，再者就是测序成本较高。随着测序技术的提高和成本的降低，得益于叶绿体基因组数据库的迅速充实，使得开展叶绿体基因组的比较基因组学研究迅速发展。本研究选取被子植物中五大科之一的禾本科（Poaceae）四个关键亚科和稻亚科稻族(Oryzeae)为研究体系，在完成八个物种叶绿体全基因组测序基础上，开展了比较基因组学研究。主要结果如下： 1. 三种叶绿体基因组测序方法的比较采用目前使用最多的三种方法（Fosmid 文库构建后采用Shotgun 测序、提取叶绿体DNA 之后Solexa 高通量测序和PCR 直接扩增纯化后测序）完成叶绿体基因组的测序工作。不同方法在不同条件下各有优劣。采用构建Fosmid 文库的方法前期工作量大，后续进行Shotgun 测序费用也很高，但该方法得出的数据质量是最好的。采取提取纯化叶绿体DNA 方法，要求实验材料很多，提取过程也很繁琐，不同提取方法效果也一样，我们采取高盐低pH 方法就是一种很粗糙方法，进而采用新一代Solexa 高通量测序，测序时间短，使用软件在进行序列的组装时，对参数设置敏感（如参考序列的选择），同时需要设计后续实验来完成序列的补洞操作，该过程因数据质量不同产生的实验量也不同。PCR 直接扩增测序方法需要设计大量的引物来覆盖整个叶绿体基因组，实验工作量不小，同时由于叶绿体基因组的结构变化，其可用范围也很有限，但是如果在小范围内进行，一批引物可以完成很多物种的测序，是一种比较经济的选择。 2. 禾本科BEP 分支的系统发育关系以往的研究表明，禾本科内存在BEP 和PACCMAD 两个主要谱系分支。然而，BEP 分支涉及的三个亚科类群（竹亚科Bambusoideae，稻亚科Ehrhartoideae和早熟禾亚科Pooideae）之间的系统发育关系一直存在争议。本研究采用叶绿体系统发育基因组学（chloroplast phylogenomics）的方法，详细分析了这三个亚科之间的系统发育关系。在排除了碱基序列组成差异、序列中碱基替代饱和差异、基因进化速率的差异等方面的因素之外，采用三种（MP、ML 和Bayes）不同方法根据叶绿体全基因组信息进行了系统发育重建。结果表明，竹亚科Bambusoideae 和早熟禾亚科Pooideae 是一对姐妹类群，之后它们一起再与稻亚科Ehrhartoideae 形成姊妹类群的关系，该结果得到了很强的统计支持，即稻亚科是BEP 分支的基部类群。 3. 禾本科四亚科叶绿体基因组的变化我们完成了竹亚科（Bambusoideae）1 物种和稻亚科（Ehrhartoideae）7 物种的叶绿体基因组测序工作，在此基础上结合已经公布的禾本科物种的叶绿体基因组，利用禾本科23 个物种开展了叶绿体基因组的比较研究。结果表明：1) 禾本科物种叶绿体基因组之间共享相同的基因，叶绿体基因组序列具有很好的共线性；2) 禾本科物种的叶绿体基因组AT%含量很高达61%，物种之间GC%含量变化一致，在各类基因之间的GC%分布也一致；3) 各个物种叶绿体基因组中30bp 以上重复片段的分布不一致，重复片段的数目和基因组大小没有相关性；4) 禾本科物种之间叶绿体基因组大小变化是由于基因间隔区（IGS）序列的变化引起，IGS 的长度变化在叶绿体基因组LSC、SSC 和IR 三个组分中变化趋势有差别；5) 叶绿体基因组四个连接区域长度的变化具有一定的系统发育信息；6)叶绿体基因组间隔区域中插入/缺失（In-Del）的分布有一定的规律性，短片段In-Del 占据绝大多数，其中单碱基变化占据了1/3 的比例，在叶绿体基因组上LSC、SSC 和IR 三个组分中In-Del 的变化也不一样。
页数	176
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ibcas.ac.cn/handle/2S10CLM1/11910
专题	系统与进化植物学国家重点实验室
作者单位	中国科学院植物研究所
第一作者单位	中国科学院植物研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	武志强. 禾本科叶绿体基因组大小和结构变异初探[D]. 中国科学院植物研究所,2011.

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2011068.pdf（5404KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	浏览请求全文