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[博士论文] 李旭凯
作物遗传育种 华中农业大学 2017(学位年度)
摘要:本研究分为二部分:
  第一部分、稻属AA基因组转座子比较研究
  转座子(transposableelements,TE)是一类可以通过自身编码的酶进行切割、复制、重新整合等一系列生物化学过程,在基因组不同位置间移动的、重复的DNA序列,它广泛存在于真核和原核生物的基因组中,并对基因组的结构、功能和进化有着重要影响,是基因组的重要成分。60多年前芭芭拉·麦克林托克对玉米籽粒色斑进行研究发现了转座子(TE)。这一理论与之前传统的经典遗传学理论相违悖,当时的科学界并不接受转座因子学说。但是现今,基因组测序项目已经证明,转座子对其宿主基因组大小的改变、染色体的重排、基因结构的破坏、新基因的产生、基因表达活性、microRNA的形成等多个方面都有很大影响,转座子(TE)介导的插入突变已被大家公认。
  稻属(Oryza)属于禾本科(Poaceae),有24个物种,其中有3个物种是栽培稻(亚洲栽培稻O.sativa的两个亚种O.sativassp.Indica、O.sativassp.Japonica和非洲栽培稻O.glaberrimaSteud.),普遍分布在亚洲、非洲、澳洲和南美洲的热带与亚热带等地区。稻属物种按照染色体组类型的不同,划分为了10个基因组类型:AA,BB,CC,BBCC,CCDD,EE,FF,GG,HHJJ和HHKK。栽培稻所属的AA基因组由9个物种组成,即3种栽培稻(O.sativassp.Indica、O.sativassp.Japonica和Oryzaglaberrima)和6种野生稻(普通野生稻Oryzarufipogon、尼瓦拉野生稻Oryzanivara、短舌野生稻Oryzabarthii、展颖野生稻Oryzaglumaepatula、长雄蕊野生稻Oryzalongistaminata和南方野生稻Oryzameridionalis)。其中这些野生稻与水稻有着密切的亲缘关系,它们蕴藏着相当多的人类目前尚未了解与利用的优异基因,并且至今在水稻常规育种中取得的绝大多数研究突破取得的成果,几乎都与发掘和利用这些AA基因组野生稻中的优异基因有关。发掘及利用稻属AA基因组野生物种中蕴藏着的诸多优异基因资源,对拓宽水稻育种的遗传基础,确保稻米产量和品质具有重大的意义。同时,对稻属植物进行比较基因组学和进化生物学等研究,有助于育种工作者去改进水稻品质,对粮食生产和安全具有关键的意义。
  近几年,多种栽培稻物种和野生稻物种的基因组已经测序完成,并公布在数据库上供研究者下载使用,比较基因组是开展稻属基因组研究的重要手段和方法。本研究对稻属植物AA基因组的8个近缘物种进行了比较基因组分析和转座子插入分析,重建了AA基因组8个物种的系统发育树,计算了各物种的分化时间。与此同时,基于转座子插入到基因内部的分析,探讨了栽培稻的起源,从全基因组水平上对稻属AA基因组8个物种的转座子进行全方面的分析,并对转座子的位置、数目、插入区域偏好性和对基因结构的影响等方面进行分析。主要研究结果如下:
  1.用1937个单拷贝直系同源基因CDS序列构建了稻属AA基因组8个物种的系统发育分析表明:1)澳大利亚的O.meridionalis为AA基因组的基部类群;2)亚洲栽培稻的两个亚种籼稻(O.sativaindica)和粳稻(O.sativajaponica)和分别和O.rufipogon与O.nivara聚类为独立的两个分支,支持O.sativajaponica和O.sativaindica为多次起源的观点;3)非洲一年生野生种O.barthii是非洲栽培稻O.glaberrima的祖先;4)进化树估测稻属AA基因组亚群大约在4.8百万年前产生分化,亚洲、非洲栽培稻分别在0.78MYA和0.28MYA开始分化。
  2.对稻属AA基因组8个物种的转座子进行注释,结果表明,稻属基因组序列可以注释为转座子相关序列分别为140.36MB,151.70MB,86.77MB,103.23MB,91.57MB,83.62MB,81.73MB,61.75MB(分别是O.sativaJaponica,O.sativaIndica,O.nivara,O.rufipogon,O.glaberrima,O.barthii,O.glumaepatula和O.meridionalisgenomes),分别占基因组的37.49%,35.53%,25.68%,30.55%,28.94%,27.13%,21.92%和18.39%,其中反转录转座子所占基因组比例最高,在反转录转座子中又以Gypsy所占比例最高。栽培稻转座子数目与野生稻差不多,但是序列长度大于野生稻。
  3.对序列设定了三个分析区域:基因区、基因上游2kb和基因下游2kb区域,对稻属物种中转座子在不同区域的插入位置偏好性进行了详细分析,研究结果显示转座子插入栽培稻基因里的数目明显少于野生稻,但是在基因上下游2kb没有这种差异。插入到基因中的转座子大部分作为内含子,转座子构成外显子的例子中,栽培稻略小于野生稻。对基因内部和基因上下游2kb区域内含有转座子序列的基因进行基因功能注释和GO、KEGG富集分析,结果显示这些有转座子插入的基因主要参与核苷酸结合,花粉与雌蕊相互作用,激酶活性,细胞蛋白质修饰,代谢过程,分子功能,细胞过程,分解代谢过程,碳水化合物代谢过程,水解酶活性,酶调节活性,碳水化合物结合,胚后发育等,该结果进一步暗示了转座子对水稻驯化有重要作用,揭示了栽培稻及其野生祖先种基因组与基因的变异与进化规律。
  第二部分、芒草不同品种的地理分布与生物质降解效率关系研究
  随着人们对全球气候变暖和能源危机问题的关注,发展非石油替代燃料成了社会的普遍认识。作为第二代生物乙醇的纤维乙醇因为其能够减少温室气体的排放,减少与粮食作物对土地的竞争受到广泛的重视。
  木质纤维素来源包括农林废弃物以及迎合生物能源发展需要的能源植物,其中包括草本和木本。木质纤维素是自然生成的复合体,其中包括以下三种生物高分子:纤维素、半纤维素、木质素。木质纤维素要转化为纤维素乙醇,生物质抗降解屏障是其最大的障碍。
  芒属(Miscanthus)属于禾本科(Poaceae或Gramineae),是多年生C4植物,具有诸多优点:光合效率很高;分蘖能力强,生物量大,生长快速;自交不亲和,生态型丰富,杂种优势强,对养分的需求低,便于管理;抗性和环境适应性较强,几乎不需求喷洒杀虫剂;水分利用效率高,无需专门进行灌溉,雨水就可以保证其在贫瘠干旱的土地上良好生长;在不同环境条件下都具有较高的生物产量;能够在作物的边际土地上种植,不与粮争地等。芒属有14个物种,分布在东亚、东南亚和太平洋群岛地区。中国是芒属植物的资源中心,主要种类有荻(M.saccharforusBenth)、南荻(M.lutarioripariusSpp.)、芒(M.sinensisAnderss)、五节芒(M.floridulusWarb)等,其中芒的分布最为广泛。
  本文为研究芒草地理分布如何影响芒草细胞壁成分及降解转化效率,探索选育高降解效率的优质芒草的最佳地理位置。我们从全国收集的1400份芒草中选出有代表性的四个种类(芒、五节芒、荻、南荻)的171份芒草,绘制种类来源地理分布图,并对细胞壁组成与结构、生物质糖化和地理气象因子进行相关性分析。研究发现每个种类的芒草展现了代表性的地理位置,荻主要分布在北方,五节芒主要分布在南方,芒分布较广,而南荻分布较窄。不同的地理分布造成四个种类的细胞壁组成多样性。南荻有较高的纤维素和木质素,荻有较低的纤维素和半纤维素,芒和五节芒有较低的木质素和较高的半纤维素。细胞壁组成的多样性导致降解效率的多样性。经1%NaOH或1%H2SO4预处理芒草茎秆,荻的酶解六碳糖产率较高,南荻的酶解六碳糖产率较低,芒的总糖释放较高。根据生物质降解效率与芒草分布相关性分析,发现降解效率高、低材料在地理分布上存在一条黄金分割线(42°25′N,108°22′E到22°58′N,116°28′E),根据概率公式P(H/L|East)=P(H/L∩East)/P(East),91%的高材料分布在分割线以东。同时,平均、最低气温以及平均降雨量均不是影响生物质降解效率的主要因子,而日照辐射才是影响生物质降解效率的主要因子。在细胞壁成分和壁聚合物的特征方面,半纤维素和纤维素的结晶度(CrI)呈现出相对高的概率值,这也说明半纤维素和纤维素CrI是决定芒草降解效率的内在因素。
  本研究首次确定了芒草生物质酶解产糖与太阳辐射有密切联系。值得注意的是,在本研究定义的芒草分布黄金分割线东北的区域选择芒草种质资源,将有更大的概率获得生物质降解效率更高的材料。此外,由于平均日照是唯一一个对芒草生物质酶解产糖起到正影响的气象因子,平均日照应该作为繁育能源植物芒草的首选因素。本研究结果为收集和繁育优质的能源芒草种质资源具有指导意义。
[期刊论文] 李旭凯 彭良才 王令强
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北大核心 CSTPCD CSCD CA CBST
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摘要:用Perl语言编写了一个pep_pattern.pl脚本,可从一组相关序列中搜索非常相似的序列片段,通过匹配所有可能的氨基酸片段的排列,统计每个匹配模体在序列中的出现频率和位置,搜索蛋白质序列中的2~4个多肽的模体.
摘要:从生物信息学和基因表达的角度,鉴定OsGT61家族成员的结构特征和组织表达特性.结果表明,OsGT61家族含有25个成员,分为3个亚类.A、B和C亚类分别含有19、3和3个成员,其基因的外显子数介于1~7个.其蛋白质大小为49.1~73.8 ku,pI为5.4~10.4.该家族蛋白质的C端motif较为保守.而且,它们含有Ser/Thr激酶的磷酸化位点分别为9~29个和3~13个,Tyr激酶的磷酸化位点小于7个.但是,该家族成员的糖基化位点相对较少,16个成员存在1~4个O糖基化位点,3个蛋白存在1~2个N糖基化位点.基因表达芯片聚类分析和半定量RT-PCR检测表明,OsGT61基因家族主要成员在不同组织中表达水平存在明显差异.这些结果暗示OsGT61家族基因在水稻不同组织中细胞壁半纤维素生物合成中发挥不同作用.
摘要:用Perl语言编写了一个脚本—ChooseMaterials.pl,通过计算两个材料特定某几列数据之间增加或减少的百分数水平,达到控制变量突出关键因子的作用,方便生物学工作者选取材料,做进一步的实验或分析.
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北大核心 CSTPCD CSCD AJ CA CBST
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摘要:本研究旨在对棉花来源的果胶甲酯酶基因进行克隆和功能分析。通过RACE技术克隆了2个棉花果胶甲酯酶基因的cDNA,命名为GhPME1和GhPME2。序列分析发现:GhPME1和GhPME2的最大开放阅读框分别为1 704和1 752bp,分别编码含有567和582个氨基酸的蛋白质。蛋白质结构预测显示这2个蛋白结构相似,包含PMEI和Pectinesterase结构域。RT-PCR和实时荧光定量PCR结果显示在陆地棉的纤维发育过程中,GhPME1和GhPME2的表达峰值分别在9和4DPA(开花后天数),然后依次降低。而在海岛棉纤维中,这2个基因的表达均呈现逐渐上升的趋势,表达峰值分别出现在开花后24和29DPA。GhPME1和GhPME2在海岛棉和陆地棉棉纤维中的表达差异初步证明该基因家族的功能可能与棉纤维品质相关。
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