基于高通量测序的水稻基因型鉴定以及水稻籼粳第四号染色体比较基因组研究

论文摘要

水稻是最主要的粮食作物之一,世界上有近一半的人口以稻米为主食。亚洲栽培稻是栽培面积最大的水稻,主要分为籼稻和粳稻两个亚种。籼稻与粳稻基因组的测序和比较研究对于了解栽培稻的基因组变异是非常重要的。我们对籼稻品种广陆矮4号的第四号染色体上大约22.1 Mb序列进行了测序与拼接,并与粳稻品种日本晴第四号染色体上的对应区域作了比较分析。我们共发现81,050个单核苷酸多态（single nucleotide polymorphism, SNP）,17,550个插入或缺失和27,889个非同源片段,并对重复序列、基因可变剪切、亚种特有基因等进行了分析鉴定。这些发现对水稻分子辅助育种、分子克隆、以及进化研究有重要意义。利用籼粳杂交群体进行遗传作图可以将籼粳间基因组变异和表型差异联系起来。由于传统方法的诸多局限性,籼粳杂交群体的基因型鉴定一直大大限制着数量性状位点（quantitative trait locus, QTL）定位的精度。第二代测序技术使我们能重新设计基因型鉴定的方法,从而实现更有效的遗传作图和基因组分析。我们利用第二代测序技术所获得的全基因组深度测序数据,开发了一种对重组群体进行高效的基因型鉴定方法。我们开发了一个“滑动窗口”的方法,通过对基因组局部区域内多个SNP的基因型综合分析确定这个区段的基因型,进而判定重组断裂位点的具体位置。这种新的基因型鉴定方法具有以下优点:快速便捷、高精确度和高分辨率,同时还适用于更多的作图群体和物种之间的比较基因组和遗传图谱构建。为了使这个基于测序的基因型鉴定新方法能够被广泛地使用,我们进一步开发了一个处理程序的流程,命名为SEG-Map。这个流程能够直接分析处理Illumina GA产生的单向或双向末端短序列测序结果,最终构建出重组群体的遗传图谱。利用SEG-Map软件包,我们对水稻重组自交系、水稻染色体片段替换系和水稻F2群体进行了基于测序的基因型鉴定,都成功获得了高精度的重组图谱,并且能够将一些QTL定位到较小的区域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 基于高通量全基因组测序的水稻基因型鉴定
• 摘要
• 引言
• 一. 材料与方法
• 1.1 基于测序的水稻重组自交系（RIL）基因型鉴定
• 1.1.1 水稻重组自交系材料及基因组DNA 制备
• 1.1.2 第二代测序仪Illumina GA上的多样品混合测序（单向测序）
• 1.1.3 SNP 的鉴定
• 1.1.4 基因型的读取
• 1.1.5 构建重组区段图（recombination bin map）以及QTL 分析
• 1.2 基于测序的基因型鉴定流程的程序开发
• 1.3 基于测序的水稻染色体片段替换系（CSSL）基因型鉴定
• 1.3.1 植物材料及CSSL 的构建
• 1.3.2 DNA 制备与第二代测序仪Illumina GAIIx 上的多样品混合测序（双向）
• 1.3.3 亲本SNP鉴定
• 1.3.4 CSSL 个体基因型鉴定流程
• 1.3.5 表型鉴定
• 1.3.6 构建重组区段图谱及QTL 分析
• 1.4 基于测序的水稻F2群体及高粱重组自交系的基因型鉴定
• 1.4.1 水稻F2群体的材料
• 1.4.2 利用基于测序的方法对水稻F2群体进行基因型鉴定
• 1.4.3 高粱重组自交系群体的材料
• 1.4.4 利用基于测序的方法对高粱重组自交系群体基因型鉴定
• 1.5 水稻单倍型数据与亲本基因型鉴定
• 1.5.1 从水稻单倍型图谱（haplotype map）数据中鉴定两个亲本株系的SNP
• 1.5.2 构建水稻单倍型图谱网页数据库
• 二. 结果
• 2.1 基于测序的水稻重组自交系（RIL）基因型鉴定
• 2.1.1 实验设计
• 2.1.2 测序以及SNP 鉴定
• 2.1.3 基因型的读取
• 2.1.4 重组断裂位点的判定
• 2.1.5 误差分析
• 2.1.6 构建重组区段图以及数量性状位点（quantitative trait loci QTL）分析
• 2.2 基因型鉴定流程的程序开发
• 2.2.1 SEG-Map 处理数据流程的主要步骤
• 2.2.2 判断重组断裂位点的详细流程
• 2.3 基于测序的水稻染色体片段替换系（CSSL）基因型鉴定
• i 和 CSSL_j）'>2.3.1 构建 CSSL（CSSL_i 和 CSSL_j）
• 2.3.2 两个亲本之间的SNP鉴定
• i and CSSLs_j 的基因型鉴定'>2.3.3 CSSLs_i and CSSLs_j的基因型鉴定
• 2.3.4 株高和抽穗期的QTL 分析
• 2.4 基于测序的水稻F2群体与高粱重组自交系的基因型鉴定
• 2.4.1 水稻F2群体的基因型鉴定
• 2.4.2 高粱重组自交系群体的基因型鉴定
• 2.5 水稻单倍型数据与亲本基因型鉴定
• 2.5.1 一个包含360 万个SNP 的水稻栽培稻单倍型图谱
• 2.5.2 用低覆盖率测序的方法鉴定亲本SNP
• 三. 讨论
• 3.1 基于测序的基因型鉴定方法
• 3.2 SEG-Map 软件包
• 3.3 CSSL群体的高分辨率基因型鉴定及QTL定位
• 3.4 水稻F2群体与高粱重组自交系的基因型鉴定
• 3.5 水稻单倍型数据与亲本基因型鉴定
• 参考文献
• 第二章 通过水稻两个亚种籼稻和粳稻的第四号染色体基因组比较深入研究栽培稻的基因组变异
• 摘要
• 引言
• 一. 材料与方法
• 1.1 籼稻广陆矮4 的第四号染色体物理图构建和测序
• 1.2 籼稻与粳稻第四号染色体序列比对
• 1.3 重复序列和SNP的鉴定
• 1.4 序列分析及基因组注释
• 1.5 第四号染色体上 MULE （Mutator-like transposable elements）的鉴定
• 1.6 BAC 序列的公共数据库序列号
• 二. 结果
• 2.1 籼稻广陆矮4 的第四号染色体物理图构建和测序以及对应的粳稻第四号染色体共线性区域鉴定
• 2.2 由碱基替代、插入缺失和非同源片段引起的序列变异
• 2.3 基因的比较分类及变异
• 2.4 籼稻和粳稻第四号染色体重复序列元件与转座子MULE的比较分析
• 2.5 籼稻和粳稻之间染色体倒位的鉴定
• 2.6 籼稻和粳稻之间线粒体和叶绿体DNA 的比较分析
• 2.7 籼稻广陆矮4和粳稻日本晴第四号染色体与籼稻93-11草图序列的比较
• 三. 讨论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢