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入侵植物薇甘菊的转录组分析及其群体遗传特征初探

作　者: 方晓婷
导　师: 黄椰林
学　校: 中山大学
专　业: 植物学
关键词: 薇甘菊入侵植物转录组自组装群体遗传特征第二代测序技术
分类号: S451
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

薇甘菊Mikania micrantha H.B.K.为菊科假泽兰属植物,是世界上最有害的100种外来入侵物种之一。它原产于热带美洲,现广布于亚洲热带。作为一种典型的已造成严重生态危害的入侵杂草,研究薇甘菊具有重要的现实意义和科学价值。近年来国内外已相继开展了大量关于薇甘菊的生理生态、群落结构以及生态效应等各方面的研究。但相对而言,关于薇甘菊入侵遗传机制的研究则少得多。随着近年来新一代高通量测序技术的发展,从基因组层面探讨薇甘菊入侵性相关的分子基础、认识入侵性表达的分子调控机制、揭示外来种成功入侵的机理和“后适应”进化机制已成为可能。本研究作为一种在基因(转录)组水平上对非模式入侵植物进行入侵分子机制探讨的尝试,首先采用第二代高通量测序技术(Illumina GAII),以薇甘菊作为研究对象来进行转录组水平上的拼接和组装,并进一步探讨其入侵特性的分子基础。本论文研究内容包括以下两个部分,结果如下:1.薇甘菊个体转录组的分析:以个体薇甘菊全株为材料提取总RNA,反转录后采用新一代高通量测序技术(Solexa)进行测序,利用所得到的32百万对经过质量过滤的reads并采用多种拼接方法的整合,本研究成功组装了51,782条平均长度在734 nt、最大长度达到7,324nt的参考转录本拼接序列,72.9%的特异组装序列与NCBI数据库里的序列具有显著同源性,其中25,478条序列能够进行基因分类(gene ontology assignments),这项研究中所获得的序列代表了第一次大规模的涉及入侵杂草的表达基因的序列数据。进一步的研究结果鉴定出大量高表达并与入侵特性相关的候选基因:如基因组进化基因,可塑性基因,次生代谢和防御反应基因等。这一转录组资源提供了重要信息以促进有关薇甘菊的入侵生物学的研究。2.薇甘菊原产地与入侵地两个种群的群体遗传特性比较:选取中美洲哥斯达黎加群体(14),东莞以及广州(12)两个群体作为原产地与入侵地种群的代表,它们的幼苗在相同环境中培养一个月,将两个群体中个体的总RNA分别等量混和测序,以前一部分研究中所获得的个体薇甘菊转录组作为参考序列进行拼接和校正,寻找并验证SNP,根据群体转录组在参考转录本上的比对信息,在约7.8百万个序列位点中筛选出约27万个候选的SNP位点。在此基础上,进一步计算θ和π等群体遗传参数,其中,哥斯达黎加群体的θ和π分别为5.7‰和4.1‰,而在广东群体则分别为4.8‰和3.0‰,本研究获得了薇甘菊群体基因(转录)组水平遗传多样性的宝贵信息,同时得到了薇甘菊原产地群体的遗传多样性水平略高于入侵地群体的初步结论,并为进一步的研究提供了大量可供利用的SNP遗传信息。本研究成功应用了第二代测序技术Illumina GAII对典型入侵杂草薇甘菊的转录组进行了测序和自组装,并进一步在群体水平上获得了薇甘菊原产地与入侵地两个不同种群的遗传多样性信息和群体SNP位点信息。该结果对利用第二代测序技术研究非模式入侵生物的群体遗传学、转录组测序和自组装提供了重要的参考价值。该方法的应用将成为系统和全面研究基因(转录)组水平的入侵遗传特性提供了一种新的思路。

全文目录

摘要 3-5Abstract 5-9第一章前言 9-28 1.1 生物入侵 9-12 1.1.1 生物入侵的基本概念和研究现状 9-10 1.1.2 生物入侵的类型 10-11 1.1.3 生物入侵的过程 11-12 1.2 生物入侵成功的原因和机理 12-15 1.2.1 外来种的生物学特性 12-13 1.2.2 入侵种与土著种间的相互作用 13 1.2.3 新栖息地群落生物多样性对入侵的抵抗性 13-14 1.2.4 新栖息地环境变化 14-15 1.3 生物入侵的进化遗传学 15-18 1.3.1 生物入侵的进化遗传学研究 15 1.3.2 入侵种的遗传特性 15-16 1.3.3 生物入侵过程中的遗传修饰手段 16 1.3.4 入侵种的遗传多样性 16 1.3.5 入侵种的遗传多态性研究 16-18 1.4 生物入侵的基因组学 18-22 1.4.1 生物入侵的基因组学 18 1.4.2 第二代测序技术在入侵生物基因组学 18-22 1.5 入侵植物研究对象的选取 22-25 1.6 本文研究对象薇甘菊概况 25-27 1.7 本文研究目的及意义 27-28第二章入侵地薇甘菊个体的高通量转录组从头测序及参考转录本的自组装和基因功能注释 28-49 2.1 材料与方法 28-37 2.1.1 入侵地薇甘菊个体的样品采集 28 2.1.2 入侵地薇甘菊个体的总RNA提取 28-29 2.1.3 入侵地薇甘菊个体的RNA-seq 高通量转录组从头测序 29-30 2.1.4 薇甘菊个体转录组数据的质量分析及过滤 30-31 2.1.5 薇甘菊个体转录组数据的自组装 31-33 2.1.6 薇甘菊个体参考转录本的自比对检验 33-35 2.1.7 薇甘菊个体参考转录本的功能注释 35-37 2.2 结果与分析 37-48 2.2.1 入侵地薇甘菊个体总RNA提取结果 37 2.2.2 入侵地薇甘菊个体转录组的原始测序数据情况 37-38 2.2.3 入侵地薇甘菊个体转录组的优化测序数据情况 38-39 2.2.4 薇甘菊个体转录组数据的自组装结果（CAP3方法） 39-41 2.2.5 薇甘菊个体转录组数据的自组装结果（Oases方法） 41-43 2.2.6 薇甘菊个体转录组数据的自组装结果综合 43 2.2.7 薇甘菊个体参考转录本的自比对结果 43-46 2.2.8 薇甘菊个体参考转录本的BLAST结果 46 2.2.9 薇甘菊个体参考转录本的GO功能注释结果 46-47 2.2.10 薇甘菊个体参考转录本的KEGG代谢通路注释结果 47-48 2.3 小结——入侵植物薇甘菊首个个体参考转录本的获得 48-49第三章原产地与入侵地薇甘菊群体的高通量转录组测序及遗传特征比较 49-61 3.1 材料与方法 49-52 3.1.1 原产地与入侵地薇甘菊群体的样品采集 49 3.1.2 原产地与入侵地薇甘菊群体的总RNA提取 49-50 3.1.3 原产地与入侵地薇甘菊群体的RNA-seq 高通量转录组测序 50 3.1.4 原产地与入侵地薇甘菊群体转录组数据的质量分析及过滤 50 3.1.5 原产地与入侵地薇甘菊群体转录组在参考转录本上的比对 50 3.1.6 薇甘菊群体转录组中候选的单核苷酸多态性位点(SNPs) 50-51 3.1.7 原产地与入侵地薇甘菊群体转录组的群体遗传学参数计算 51-52 3.2 结果与分析 52-60 3.2.1 原产地与入侵地薇甘菊群体总RNA提取结果 52-54 3.2.2 原产地与入侵地薇甘菊群体转录组数据情况 54-55 3.2.3 原产地与入侵地薇甘菊群体转录组在参考转录本上的比对情况 55-58 3.2.4 原产地与入侵地薇甘菊群体转录组的遗传特征比较 58-60 3.3 小结 60-61第四章结语与展望 61-63参考文献 63-71附录本人攻读学位期间发表的学术论文 71-72致谢 72

入侵植物薇甘菊的转录组分析及其群体遗传特征初探

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