水稻线粒体基因组 ——序列多态性和基因组进化，以及线粒体、叶绿体和细胞核基因组间的基因迁移

论文摘要

水稻是世界上最重要的粮食作物,全球半数以上的人口以其为主食。因其具有特殊的生理生化特征和作为人类粮食作物的经济学意义,一直以来是基因组计划——高等植物基因组测序计划中的重要模式生物之一。自2000年以来,中科院北京基因组研究所采用全基因组霰弹（Shot-Gun）法测序,完成了中国超级杂交水稻亲本（93-11和PA64S）的全基因组序列“工作框架图”和基因“精细图”。在此基础上,我们对该两种水稻的线粒体基因组进行了序列完成图的组装,并分析了它们之间的序列多态性,基因组的进化,以及线粒体、叶绿体和细胞核基因组间的基因迁移。 （一）利用水稻全基因组测序序列中高质量的对线粒体基因组有着高覆盖度的线粒体基因组相关序列,我们完成了两种水稻的线粒体全基因组序列的组装,其中93-11是籼稻品种,PA64S是具有粳稻母本起源的籼型不育系品种,它们分别为中国超级杂交水稻两优培九（LYP9）的父本和母本;又利用Syngenta公司公布的水稻全基因组测序数据,我们完成了粳稻品种Nipponbare线粒体全基因组序列的组装。在基因组序列分析上,我们把水稻不同亚种水稻间的线粒体基因组序列多态性称为“亚种间差异”（intersubspecific variations）;把水稻个体内线粒体基因组序列的多态性称为“种内差异（intravarital variations）”。该研究中,我们在水稻线粒体“亚种间差异”位点上确定了96个单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism,SNP）位点、25个插入和缺失（insertion and deletion,InDel）突变位点,和3个片段序列差异（segamental sequence variation,SSV）位点。从这些差异中我们选择了一些可以区别籼稻和粳稻的标记性位点,并在不同的水稻品种中做了广泛的实验验证。“亚种间差异”的数据表明线粒体基因组中单核苷酸多态性的平均发生率是0.02%,插入和缺失突变的平均发生率是0.006%,该两类序列多态性的平均发生频率分别为叶绿体基因组的2/5和1/3,为细胞核基因组的1/21和1/38。利用“亚种间差异”的单核苷酸多态性位点在基因组中发生的频率,我们估算了籼稻和粳稻线粒体基因组的分化时间大概是在9万到50万年以前。在93-11和PA64S两个个体中,“种内差异”的数据表明它们的线粒体基因组中单核苷酸多态性的平均发生率分别是1.26%和1.38%,插入和缺失平均发生率分别是1.13%和1.09%。对种内单核苷酸多态性位点两侧的核苷酸出现的频率进行分析,我们发现,发生单核苷酸突变的位点两侧的核苷酸有着明显的选择性偏好,特别是5’-端和3’-端紧挨突变位点上的核苷酸,它们存在非常明显的偏好性选择。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略词
• 第一章 文献综述
• 引言
• 1.1 线粒体基因组的起源和进化
• 1.1.1 线粒体的起源假说
• 1.1.2 线粒体基因组的进化
• 1.2 高等植物线粒体基因组的结构特征和基因组成
• 1.2.1 线粒体基因组的结构特征
• 1.2.2 线粒体基因组的基因组成
• 1.3 多细胞动物线粒体基因组的结构特征和基因组成
• 1.3.1 线粒体基因组的结构特征
• 1.3.2 线粒体基因组的基因组成
• 1.4 真菌线粒体基因组的结构特征和基因组成
• 1.4.1 线粒体基因组的结构特征
• 1.4.2 线粒体基因组的基因组成
• 1.5 原生生物线粒体基因组的结构特征和基因组成
• 1.5.1 线粒体基因组的结构特征
• 1.5.2 线粒体基因组的基因组成
• 1.6 高等植物中细胞器到细胞核、以及细胞器间的DNA序列迁移
• 1.6.1 DNA序列迁移机制
• 1.6.2 DNA序列迁移的流向
• 1.6.3 迁移DNA序列在新基因组内的分布及序列重排
• 1.6.4 高等植物线粒体tRNA基因
• 1.7 全基因组测序策略
• 1.7.1 全基因组霰弹法测序（WGS）策略
• 1.7.2 逐个克隆法测序（CBC）策略
• 1.7.3 线粒体基因组测序
• 1.7.4 籼稻（93-11）叶绿体全基因组序列的组装
• 1.8 线粒体基因组测序的现状和将来
• 1.9 超级杂交稻两优培九及其亲本
• 第二章 研究材料与方法
• 2.1 材料
• 2.1.1 水稻样本
• 2.1.2 试剂
• 2.1.2.1 基因组DNA提取
• 2.1.2.2 PCR和电泳
• 2.1.2.3 DNA测序
• 2.1.3 主要仪器设备
• 2.2 方法
• 2.2.1 基因组DNA提取和测序
• 2.2.1.1 DNA提取
• 2.2.1.2 测序
• 2.2.2 线粒体基因组序列筛选、拼接和分析
• 2.2.2.1 主要技术路线
• 2.2.2.2 线粒体基因组序列的筛选和拼接
• 2.2.2.3 序列多态性分析
• 2.2.2.3.1 种内序列多态性分析
• 2.2.2.3.2 亚种间序列多态性分析
• 2.2.3 基因预测及相关NUMT、NUPT、MTPT的寻找
• 2.2.4 系统进化分析
• 第三章 结果和分析
• 3.1 水稻线粒体基因组序列的拼接
• 3.2 水稻线粒体基因组的结构特征
• 3.3 水稻线粒体基因组序列的多态性分析
• 3.3.1 单核苷酸多态性
• 3.3.1.1 水稻亚种间线粒体基因组的单核苷酸多态性
• 3.3.1.2 水稻线粒体基因组的种内单核苷酸多态性
• 3.3.1.2.1 种内SNP的特征
• 3.3.1.2.2 侧链核苷酸对种内SNP类型的影响
• 3.3.2 线粒体基因组序列的插入缺失突变和片段序列变化
• 3.4 水稻细胞内细胞器到细胞核的基因迁移
• 3.4.1 蛋白质编码基因的迁移
• 3.4.1.1 线粒体蛋白质编码基因到细胞核的迁移
• 3.4.1.2 叶绿体蛋白质编码基因到细胞核的迁移
• 3.4.1.3 叶绿体蛋白质编码基因到线粒体的迁移
• 3.4.2 非蛋白质编码基因的迁移
• 3.4.2.1 叶绿体tRNA基因到线粒体的迁移
• 3.4.2.2 叶绿体tRNA基因到细胞核的迁移
• 3.4.2.3 线粒体tRNA基因到细胞核的迁移
• 3.4.2.4 迁移tRNA基因的系统进化
• 第四章 讨论和结论
• 4.1 水稻线粒体基因组在种内和亚种间的序列差异
• 4.2 线粒体基因组的多元化结构
• 4.3 从线粒体基因组序列的差异上看水稻93-11和PA64S的分化时间
• 4.4 开花植物的线粒体tRNA基因
• 4.5 tRNA基因迁移的机制及其高频率的迁移
• 4.6 迁移tRNA基因的表达
• 4.7 后续工作建议
• 参考文献
• 致谢
• 附一：附表S1
• 附二：附表S2
• 附三：附表S3
• 附四：发表论文