甘藍(lán)型油菜3D基因組學(xué)的初步研究與應(yīng)用.pdf

1、三維(3D)基因組學(xué)是在傳統(tǒng)的一維線性序列的基礎(chǔ)上研究染色質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)的一門學(xué)科。染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)(3C)及其衍生技術(shù)用于測定特定的點(diǎn)到點(diǎn)之間的染色質(zhì)交互作用，是3D基因組領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一類技術(shù)。隨著染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)的迅速發(fā)展，3D基因組學(xué)不僅被運(yùn)用于基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)制研究，還被用于基因組組裝（傳統(tǒng)基因組組裝、單倍型組裝、宏基因組組裝等）的研究當(dāng)中。目前，3D基因組學(xué)的研究主要集中在小鼠、果蠅、酵母等模式生物和人類中，

2、并取得了一系列豐碩的成果，但其在植物中鮮有報(bào)道，僅在模式物種擬南芥中有部分研究。而油菜是我國第一大油料作物，在食用油生產(chǎn)中占有重要地位。近期，國際上完成了甘藍(lán)型油菜基因組的測序和草圖的繪制工作，這是首次對(duì)傳統(tǒng)的多倍體作物復(fù)雜的基因組進(jìn)行的完整測序和組裝，并且為多倍體植物三維基因組學(xué)的研究提供了數(shù)據(jù)資源。為了研究三維基因組在多倍體物種中的應(yīng)用，本文從如下幾個(gè)方面開展了工作:
　　首先，本研究選取甘藍(lán)型油菜品種中雙11號(hào)(ZS11)作

3、為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（Hi-C），通過甲醛交聯(lián)、酶切、末端補(bǔ)齊及生物素標(biāo)記、連接、DNA純化、超聲打斷及生物素富集等步驟，完成了甘藍(lán)型油菜染色質(zhì)交互文庫的構(gòu)建。實(shí)驗(yàn)共獲得了約110 Gb油菜基因組染色質(zhì)交互的原始測序數(shù)據(jù)，通過質(zhì)量控制、過濾及重復(fù)性檢驗(yàn)等生物信息處理步驟，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)（比對(duì)率，無效連接及可重復(fù)性等）均符合預(yù)期結(jié)果，表明了Hi-C技術(shù)在傳統(tǒng)多倍體植物中的可操作性?；谏鲜鋈旧|(zhì)交互數(shù)據(jù)，本研

4、究構(gòu)建了甘藍(lán)型油菜中高質(zhì)量高分辨率的全基因組交互矩陣，用于后續(xù)油菜基因組組裝完善和三維基因組學(xué)轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能研究。
　　然后，為了檢驗(yàn)基于染色質(zhì)交互在多倍體植物組裝中的可行性，首先利用上述染色質(zhì)交互數(shù)據(jù)將未掛載到甘藍(lán)型油菜染色體上的scaffolds進(jìn)行錨位并進(jìn)行方向的確定，從而提高甘藍(lán)型因組參考序列的完整性。組裝后有91.05 Mb scaffolds能被分配到相應(yīng)的染色體上，并且111.70 Mb scaffolds能成功確定其

5、在染色體上的位置和方向（現(xiàn)有草圖中染色體號(hào)未知的scaffolds和沒有確定具體位置方向的scaffolds分別為135.94 Mb，202.91 Mb），染色體號(hào)未知的scaffolds和沒有確定具體位置方向的scaffolds分別從全基因組長度的16.03％和23.92％下降到5.29％和10.75％。通過預(yù)測已組裝的scaffolds，顯示該方法的預(yù)測甘藍(lán)型油菜scaffolds的染色體號(hào)、位置和方向的正確率分別為98.85％、9

6、0.15％和90.39％。甘藍(lán)型油菜基因組的完善對(duì)后續(xù)優(yōu)良品種的選育和品質(zhì)的改良具有重要的理論和實(shí)踐意義。另外，本研究的開展不僅檢驗(yàn)了基于染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的組裝方法在多倍體植物基因組輔助組裝的可行性和有效性，而且為復(fù)雜植物基因組組裝提供了新的思路。
　　最后，本研究利用甘藍(lán)型油菜的交互數(shù)據(jù)研究了其蛋白-蛋白相互作用(PPIs)基因在染色質(zhì)3D結(jié)構(gòu)上的特征。通過基于直系同源的方法，本研究鑒定了甘藍(lán)型油菜中163，475個(gè)PPIs，將P