壇紫菜基因組結(jié)構(gòu)特征及紅毛菜功能基因組特性分析.pdf

1、紅毛菜科物種是紅藻門的代表物種之一，包括具有重要經(jīng)濟價值的大型紅藻紫菜和海水紅毛菜，其中壇紫菜是我國東南沿海特有的海洋經(jīng)濟養(yǎng)殖作物，占我國紫菜栽培總產(chǎn)量的75％。海水紅毛菜含有大量高度不飽和脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)，可達藻體脂肪酸含量的50％左右，是已報道的EPA含量最高的藻類。同時這兩種物種位于相同的潮間帶位置，是研究藻類適應各種逆境環(huán)境相關分子機制的理想物種。目前關于它們的細胞學、遺傳學等都得到了廣泛的研究，但是對基因組、功能基

2、因組信息及相關的進化關系的了解仍然不夠全面，對于了解其真正的遺傳特性及其適應潮間帶逆境的機制仍然缺乏系統(tǒng)的研究。本論文通過對壇紫菜基因組及功能基因組的研究，進一步了解壇紫菜基因組的結(jié)構(gòu)特征，同時通過對海水紅毛菜轉(zhuǎn)錄組及質(zhì)體基因組特性的研究，推測了海水紅毛菜EPA的合成途徑，解析了紅藻門物種的進化關系和分歧時間。
　　本論文主要包括以下幾個內(nèi)容:利用Hiseq2000技術結(jié)合生物信息學方法對壇紫菜基因組特征進行初步分析和認識;利用單

3、分子測序技術對壇紫菜不同發(fā)育時期和脅迫處理條件下的轉(zhuǎn)錄組進行測序分析;利用Hiseq2000技術對海水紅毛菜多個脅迫處理下的樣品進行轉(zhuǎn)錄組分析，探索其EPA的合成途徑;同時也利用二代測序技術結(jié)合Sanger測序方法獲得了海水紅毛菜完整的質(zhì)體基因組。
　　主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)壇紫菜全基因組大小的預估和框架圖的繪制
　　本研究通過獲得壇紫菜高質(zhì)量的細胞核，然后利用流式細胞技術估算壇紫菜的核基因組大小。實驗結(jié)果估算

4、出的壇紫菜核基因組的大小為117.84±11.22Mb。然后采取全基因組掃描測序的方法，對壇紫菜的基因組進行了從頭測序、組裝。在壇紫菜基因組組裝過程中，利用生物信息學手段，去除壇紫菜基因組中高拷貝的細胞器DNA和外源微生物的DNA，得到的無污染的壇紫菜基因組，拼接的結(jié)果為:contigN50為10，527bp，contig N90為2，625bp，基因組大小為29.8Mb。其平均GC含量為65.85％?？偟陌?71個反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，36

5、0個DNA轉(zhuǎn)座子。用軟件預測基因組中的SSR序列，共獲得11，253個SSR，包括144種基序。從整個重復序列的組成來看，高GC占有優(yōu)勢。
　　(2)利用單分子測序技術分析壇紫菜轉(zhuǎn)錄組
　　利用單分子測序技術對不同世代和不同脅迫處理條件下的壇紫菜混合樣品進行文庫構(gòu)建和測序，其中高質(zhì)量的consensus isoform17，383條，平均長度為1.339bp，平均測序深度12X。對其基因內(nèi)容的分析，發(fā)現(xiàn)大量逆境耐受相關候選基

6、因。發(fā)現(xiàn)了在壇紫菜中存在12條類萌蛋白，對其進化關系進行分析，發(fā)現(xiàn)其單獨聚為一大支，和現(xiàn)有的五類類萌蛋白和真萌蛋白互為姐妹群，推測壇紫菜中也存在類似高等植物響應干旱脅迫的機制。同時還發(fā)現(xiàn)壇紫菜不僅可以通過類胡蘿卜素的合成途徑來消除過剩的光能，而且還可能存在響應高光輻照的葉黃素循環(huán)途徑。此外，結(jié)合基因組的數(shù)據(jù)分析共獲得91，940種基因的可變剪接位點，3，274個基因的可變接形式。通過分析發(fā)現(xiàn)壇紫菜的轉(zhuǎn)錄組中共存在SC35、RS40、RS

7、31和RS2Z33的四種類型的可變剪接因子，其中SC35和RS40分別具有3種和2種可變剪接形式，推測其可以通過增加轉(zhuǎn)錄本的復雜度來幫助壇紫菜適應各種環(huán)境脅迫。
　　(3)海水紅毛菜轉(zhuǎn)錄組特性分析
　　利用Hieseq2000測序平臺對海水紅毛菜的混合樣品的轉(zhuǎn)錄組進行測序分析，總共獲得了71，069，330條raw reads，總的堿基數(shù)量約為7.11G，其平均的GC含量為63.99％。經(jīng)過拼接總共獲得41，935條unig

8、ene，平均長度為533bp，N50為645bp。海水紅毛菜的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中含有多種類型的多不飽和脂肪酸去飽和酶，推測海水紅毛菜中EPA含量較高可能是由于存在多種EPA的合成途徑:即經(jīng)典的n6途徑、n3途徑和連通的n6、n3途徑和由其他不飽和脂肪酸酶介導的旁路。海水紅毛菜中存在著酵母類型、動物P38、JNK和ERK5類型的MAPK信號系統(tǒng)，能響應多種應激因子，可能對其適應潮間帶苛刻環(huán)境具有重要的作用。通過對海水紅毛菜轉(zhuǎn)錄組的高通量測序數(shù)據(jù)

9、的分析，構(gòu)建了海水紅毛菜中EPA的合成途徑，為海水紅毛菜完整的脂質(zhì)合成特別是多不飽和脂肪酸合成的研究提供了基礎數(shù)據(jù)。
　　(4)海水紅毛菜完整的質(zhì)體基因組特性分析
　　海水紅毛菜的質(zhì)體基因組是一個典型的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，總長度為196，913bp，GC含量為33.5％。整個結(jié)構(gòu)被兩個同向的、不相同的重復區(qū)域（約4.8kb）區(qū)分為151kb的大拷貝區(qū)和36Kb的小拷貝區(qū)。兩個重復序列主要編碼16s rRNA,23srRNA，5s rR

10、NA和兩個轉(zhuǎn)運RNA（trnI，trnA）。整個質(zhì)體基因組包括207個蛋白編碼基因，37個tRNAs和6個rRNAs，分別占據(jù)總序列的73.01％，2.07％和4.88％，總的編碼區(qū)域占據(jù)總序列的79.96％。同時還發(fā)現(xiàn)14個重疊基因(psbC-psbD,atpD-atpF,ycf24-ycf16，rps19-rpl2,rpl23-rpl4，carA-ORF238和rpl24-rpl14）。這些結(jié)構(gòu)表明海水紅毛菜是一個高度緊湊和高編碼能