论文摘要
玉米作为重要的粮食和饲料作物,近年来在功能基因和基因组研究方面均取得了较大进展,其基因组草图已于2008年2月绘制完成并公布,为利用生物信息学技术从全基因组整体水平深入开展基础的生物学研究提供了丰富的数据资源。本研究以6个西南糯玉米地方品种为材料,通过PCR扩增获得全长waxy基因的编码区域,采用序列比对等分析方法,研究其糯质表型的分子基础和遗传机制,并在waxy基因序列分析提供的密码子用法基础信息上,结合现阶段的研究热点,应用生物信息学和多元统计分析、相关分析等方法对waxy基因、玉米核基因、线粒体基因组和叶绿体基因组的密码子使用模式以及影响密码子使用变异的可能因素进行了详细分析,确定了它们的最优密码子,并将玉米的密码子用法与其他植物和模式生物进行了比较。研究结果对于指导转基因及对基因进行特定分子改造,提高其在玉米中的表达效率和完善基因预测软件,提高基因预测和基因组注释准确性等均具有重要的参考价值;同时也为深入开展基因结构和功能,分子进化等研究提供理论基础。本文的主要研究结果概括如下:1、6个西南糯玉米地方品种的waxy基因在第1内含子和第2、9、10外显子区域存在多种不同形式的插入/缺失突变,第2和第8内含子的剪接供体和受体位点分别发生了单碱基突变,同时在其它多个内含子区也发现不同的重复序列变化。以上的突变位点和方式不同于前人报道的玉米waxy等位突变体,为新发现的waxy基因突变类型。第2和第9外显子的碱基插入和缺失可导致翻译时的移码突变,第10外显子缺失的15bp是颗粒凝结型淀粉合成酶一个结构域的起始位置,此处缺失可能导致该酶失活。因此出现在编码区的插入/缺失和内含子剪接位点处的碱基突变可能是导致部分西南糯玉米糯质表型的关键因素。2、玉米waxy基因的每个氨基酸在同义密码子的使用上都存在明显的偏爱性,主要偏爱使用以C或G碱基结尾的密码子,少量或避免使用以A或T碱基结尾的密码子。玉米waxy基因与大肠杆菌原核表达系统和酵母真核表达系统的密码子使用频率比较,差异较大的密码子分别有24和37种。3、将玉米waxy基因密码子用法与其它禾本科作物和部分双子叶植物waxy基因的密码子用法比较,发现其它禾本科作物waxy基因的密码子偏爱性与玉米一致,而双子叶植物拟南芥、豌豆的waxy基因密码子偏爱性与禾本科植物则相反,它们偏爱于使用以A或T碱基结尾的密码子,这是单双子叶植物waxy基因在密码子用法上体现的主要差异。4、玉米核基因的GC含量差异较大,大部分基因属于高GC含量的基因。在同义密码子使用上存在较大的偏向性,主要偏爱于使用以G或C碱基结尾的密码子。对应性分析和相关分析结果表明这一偏爱性是由基因的碱基组成、基因表达水平、基因长度和所编码蛋白质的疏水性等多种因素共同作用的结果,但前两者是最主要的影响因素。5、玉米核基因的密码子使用模式与单、双子叶植物和不同种类的模式生物间存在不同程度的差异,与拟南芥、烟草两种双子叶植物的密码子使用频率比较,差异较大的密码子分别有37和41种;与同为禾本科的单子叶植物水稻和小麦分别仅有2种密码子差异较大;与人、大肠杆菌、酵母和果蝇4种模式生物密码子使用频率比较,差异较大的密码子分别有14,24,41和11种。最后将19个均以G/C碱基结尾的密码子确定为玉米主要偏爱密码子。6、玉米的线粒体和叶绿体在密码子使用模式上相似,但与宿主基因组的密码子使用模式差异较大。线粒体和叶绿体基因GC含量低,主要偏爱使用以A或T碱基结尾的密码子。影响这两个细胞器基因密码子使用的因素可能有多个,碱基组成和基因表达水平是相对主要的因素。同时分别确定了它们的最优密码子,线粒体29个,叶绿体25个。