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番茄和马铃薯基因组染色体XI的比较基因组测序及初步分析

作　者: 贺俊
导　师: 黄三文
学　校: 中国农业科学院
专　业: 生物化学与分子生物学
关键词: 番茄马铃薯基因组测序比较基因组学 R基因簇
分类号: S532
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

茄科包含马铃薯、番茄、辣椒、茄子、烟草和矮牵牛等多种重要的农作物。从生物学研究来说,茄科植物既有广泛的分布和多样的表型,又有着相对保守的基因组,从而成为揭示生物适应性与多样性的模式系统之一。为了深刻认识茄科植物的遗传机理,推动相关的生物科学及农业科学的研究,茄科植物中的模式植物番茄和最具经济地位的马铃薯,分别被两个国际合作基因组计划:国际茄科基因组项目(Solanaceae Genome Project: SOL)和马铃薯基因组项目(Potato Genome Sequencing Consortium: PGSC)开展基因组测序。中国是番茄和马铃薯两个基因组项目的参与国,中国农科院蔬菜花卉研究所承担番茄染色体XI和马铃薯染色体X,XI的测序工作。根据国际马铃薯基因组测序项目提供的BAC文库,FPC(Finger-printed-contigs)物理图谱,超高密度遗传图谱(Ultra High Density map: UHD)及物理-遗传图谱整合数据,我们首批挑选了11个种子BAC并进行测序,顺利启动了中国马铃薯基因组测序项目。根据对这些BAC序列的属性统计、基因注释、电子定位等分析,我们挑选了更多批次的种子BAC,并结合BAC末端数据进行了延伸。与马铃薯类似,中国番茄基因组测序项目也顺利启动,挑选了种子BAC并进行了延伸。在这两个项目的执行过程中,我们建立了BAC挑选、验证、测序、质量控制、序列组装、数据整合、信息分析等一系列完整的系统。由于番茄和马铃薯基因组已被证明具有很高的的共线性,我们还尝试利用比较测序的方法对番茄和马铃薯染色体XI进行测序,结果证明比较测序在这两个亲缘关系相近的基因组测序中是一种行之有效的方法。利用比较测序挑选的种子BAC经荧光原位杂交(Fluorescence In Situ Hybridization:FISH)分析,被证明来自目标染色体相应区域,根据这个结果可以挑选更多种子BAC,弥补了单个项目中锚定BAC数目不足的缺点。利用双方已测得的BAC序列与BAC末端序列数据库对比,根据BAC末端在对方BAC上的分布,完善了物理图谱。另外,两个同源区域的BAC同时测序时,还相互利用对方的序列来促进序列组装,加快测序后期工作的完成。在所测BAC中,有9对分别来自番茄和马铃薯的BAC被证明来自同源位点。对这些成对同源BAC同源区域的比较基因组学分析发现,两个基因组在染色体不同区域有不同程度的序列一致性。一般而言远离着丝粒的区域序列一致性较高,而靠近着丝粒区域则序列差异较大,但总体来说所测番茄和马铃薯BAC同源区域的序列一致性较高,主要分布在80-95%之间。番茄和马铃薯同源BAC序列的比较分析,为今后以番茄和马铃薯基因组为参考来促进其它茄科植物的研究作出了有益的探索。对马铃薯测序材料RH染色体XI的长臂末端的序列进行分析发现,该区域有一个抗病基因簇,分布了丰富的抗病基因类似序列,该位点与马铃薯SH抗晚疫病基因R3a所在位点同源,并对应于番茄相应位点的I2C抗病基因家族。将此位点的BAC测序结果与SH相应位点的序列比较,揭示了R基因丰富区域的序列特征。更进一步的研究发现,本区域富集了大量的R基因的同时还有着丰富的转座子,该结果有望更深层次地揭示R基因簇的进化特征。番茄基因组常染色质区域和马铃薯全基因组DNA序列图的绘制,在基础科学和农业应用上都将产生巨大的影响。中国参与这两大基因组项目,不仅提供了国际平台来提高我国的茄科研究水平,也将促进我国茄科作物的遗传育种。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
1 绪论  13-20
  1.1 茄科植物的重要地位  13
  1.2 茄科植物的比较基因组学研究  13-15
    1.2.1 茄科植物分类地位及表型多样性  14
    1.2.2 茄科植物基因组水平的保守性  14-15
  1.3 国际番茄测序项目（SOL）  15-16
    1.3.1 番茄测序计划的发起及目的  15-16
    1.3.2 番茄测序计划的进展  16
  1.4 马铃薯测序项目综述  16-18
    1.4.1 马铃薯的基因组测序项目的发起及目的  16-17
    1.4.2 马铃薯测序项目的进展  17-18
  1.5 比较基因组学在两个项目中的作用  18
    1.5.1 番茄和马铃薯基因组结构有着高度的共线性  18
    1.5.2 番茄和马铃薯染色体XI 的比较测序和比较基因组学  18
  1.6 R 基因丰富区域的比较  18-20
2 中国番茄和马铃薯基因组测序  20-33
  2.1 前言  20
  2.2 材料和方法  20-22
    2.2.1 番茄和马铃薯基因组测序可利用资源  20-21
    2.2.2 番茄和马铃薯基因组测序策略  21
    2.2.3 鸟枪法测序流程  21-22
  2.3 结果和分析  22-31
    2.3.1 马铃薯基因组染色体X、XI 测序过程  22-26
      2.3.1.1 马铃薯种子BAC 的挑选  22
      2.3.1.2 马铃薯种子BAC 的测序及分析  22
      2.3.1.3 马铃薯种子BAC 序列的基本特性  22-25
      2.3.1.4 马铃薯种子BAC 预测基因的注释分析  25-26
      2.3.1.5 马铃薯种子BAC 的电子定位  26
    2.3.2 马铃薯种子BAC 的延伸  26-30
      2.3.2.1 延伸候选克隆的挑选  26-27
      2.3.2.2 延伸候选克隆的验证  27-30
    2.3.3 中国马铃薯基因组计划的进展  30
    2.3.4 番茄染色体XI 的测序  30-31
      2.3.4.1 番茄种子BAC 的挑选及测序  30
      2.3.4.2 中国番茄基因组计划的进展  30-31
  2.4 讨论  31-33
3 比较测序的优点及番茄和马铃薯染色体XI 比较基因组学分析  33-42
  3.1 前言  33
  3.2 材料和方法  33-34
    3.2.1 BAC文库，BES数据库及物理图  33-34
    3.2.2 番茄和马铃薯比较测序的方法  34
    3.2.3 番茄和马铃薯同源BAC的比较基因组学分析  34
  3.3 结果与分析  34-41
    3.3.1 比较测序改善物理图谱  34-36
    3.3.2 比较测序推动BAC 序列的组装  36-37
    3.3.3 比较测序促进新种子BAC的的挑选  37
    3.3.4 种子BAC 的FISH验证  37-39
    3.3.5 番茄和马铃薯同源BAC 的序列相似性分析  39-41
      3.3.5.1 番茄和马铃薯所测同源BAC  39-40
      3.3.5.2 番茄和马铃薯同源BAC 序列基本属性比较  40-41
      3.3.5.3 番茄和马铃薯同源BAC 序列相似性分布  41
  3.4 讨论  41-42
4 马铃薯染色体XI 上MLB 抗病位点分析  42-49
  4.1 前言  42-44
  4.2 材料与方法  44
    4.2.1 BAC 文库及物理图(参见第二章相关内容,略)  44
    4.2.2 基因组DNA测序和组装(参见第二章相关内容,略)  44
    4.2.3 序列分析  44
  4.3 结果与分析  44-48
    4.3.1 MLB位点物理图和BAC测序  44-45
    4.3.2 序列比对  45-46
    4.3.3 序列注释  46-48
  4.4 讨论  48-49
5 全文结论  49-50
6 参考文献  50-54
7 附录1 鸟枪法测序建库方法  54-61
8 附录2 本文所涉及载体  61-62
9 致谢  62-64
10 作者简历  64

番茄和马铃薯基因组染色体XI的比较基因组测序及初步分析

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