甘藍型油菜3D基因組學的初步研究與應用.pdf

1、三維(3D)基因組學是在傳統(tǒng)的一維線性序列的基礎上研究染色質(zhì)三維空間結構的一門學科。染色質(zhì)構象捕獲技術(3C)及其衍生技術用于測定特定的點到點之間的染色質(zhì)交互作用，是3D基因組領域近年來發(fā)展起來的一類技術。隨著染色質(zhì)構象捕獲技術的迅速發(fā)展，3D基因組學不僅被運用于基因表達、轉錄調(diào)控的機制研究，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）的研究當中。目前，3D基因組學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，國際上完成了甘藍型油菜基因組的測序和草圖的繪制工作，這是首次對傳統(tǒng)的多倍體作物復雜的基因組進行的完整測序和組裝，并且為多倍體植物三維基因組學的研究提供了數(shù)據(jù)資源。為了研究三維基因組在多倍體物種中的應用，本文從如下幾個方面開展了工作:
　　首先，本研究選取甘藍型油菜品種中雙11號(ZS11)作

3、為實驗對象，采用高通量染色質(zhì)構象捕獲技術（Hi-C），通過甲醛交聯(lián)、酶切、末端補齊及生物素標記、連接、DNA純化、超聲打斷及生物素富集等步驟，完成了甘藍型油菜染色質(zhì)交互文庫的構建。實驗共獲得了約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、過濾及重復性檢驗等生物信息處理步驟，結果顯示數(shù)據(jù)質(zhì)量各項指標（比對率，無效連接及可重復性等）均符合預期結果，表明了Hi-C技術在傳統(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、究構建了甘藍型油菜中高質(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轉錄調(diào)控功能研究。
　　然后，為了檢驗基于染色質(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)將未掛載到甘藍型油菜染色體上的scaffolds進行錨位并進行方向的確定，從而提高甘藍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％。通過預測已組裝的scaffolds，顯示該方法的預測甘藍型油菜scaffolds的染色體號、位置和方向的正確率分別為98.85％、9

6、0.15％和90.39％。甘藍型油菜基因組的完善對后續(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踐意義。另外，本研究的開展不僅檢驗了基于染色質(zhì)三維結構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，而且為復雜植物基因組組裝提供了新的思路。
　　最后，本研究利用甘藍型油菜的交互數(shù)據(jù)研究了其蛋白-蛋白相互作用(PPIs)基因在染色質(zhì)3D結構上的特征。通過基于直系同源的方法，本研究鑒定了甘藍型油菜中163，475個PPIs，將P