水稻小RNA的基因组分布和分子进化研究

论文摘要

多数真核生物都包含多种以小RNA（small RNA）为核心的基因沉默途径,其在转录或转录后水平上对基因、重复序列和病毒等进行负调控。随着实验和计算生物学技术的发展,在植物中发现了越来越多的小RNA。目前已知有2种主要的小RNA,分别是微RNA（microRNA,miRNA）,小干扰RNA（small interferingRNA,siRNA）,各自都具有不同的生物合成模式和基因组座位。小RNA的产生位点,尤其是产生24-nt小干扰RNA的位点,和基因组中的重复序列高度相关。在植物小RNA途径中,已发现有许多蛋白组分的参与,比如RNA依赖性RNA聚合酶（RNA-dependent RNA polymerase,RDR）,类Dicer酶（Dicer-like enzyme,DCL）,基因沉默抑制子（Supressor of Gene Silencing,SGS）和Argonaute（AGO）等。所有小RNA介导的基因沉默途径都需要AGO家族成员的参与。新的测序技术使得对小RNA群体有效深入的测序成为可能,在植物中已有多项小RNA测序计划开展,帮助人们发现新的小RNA种类和基因,并对小RNA的表达进行分析。虽然对小RNA的多样性,产生机制和功能的研究很多,但是对其进化过程的了解还不多。基因组倍增是进化的重要驱动力,产生了大量基因家族和新基因。多种生物,比如酵母、脊椎动物、拟南芥和禾本科均经历了古老的基因组倍增事件。最近的研究发现,倍增或复制事件在拟南芥若干miRNA家族（比如miR169和miR395）的分化和进化过程中扮演了重要角色。本研究利用分子生物学和计算生物学方法,主要研究了禾本科重要的模式植物,水稻的两个典型小RNA家族（TAS3和miR156）的进化过程及其小RNA在水稻基因组上的分布与表达分化。反式作用siRNA（trans-acting siRNA,tasiRNA）是长为21nt的植物特异性内源性siRNA,与目标位点非完全互补结合后,诱导对靶基因的剪切反应。每个tasiRNA基因座位（TAS基因）转录后被转变成dsRNA,然后以21nt为步长,进行相位（phase）式切割,生成tasiRNA,这个过程需要SGS3/RDR6/DCL4途径的参与。在tasiRNA的形成过程中,需要miRNA的参与来锚定切割的目标序列区域。已经鉴别了植物上来自4个TAS基因家族（TAS1-TAS4）的10多个TAS3基因,包括拟南芥中的TAS1-TAS4和水稻中的TAS3基因。来自TAS3家族的tasiRNA,tasiARF对编码生长素应答因子（Auxin Response Factors,ARFs）,包括ARF2,ARF3和ARF4的mRNA有下调作用,并且在营养枝发育和叶极性的时序性调控中也发挥作用。TAS3家族和其他已经识别的TAS基因座位至少在两方面有所不同:（1）在双子叶（拟南芥）,单子叶（水稻）,甚至在裸子植物中（苔藓）中,TAS3都需要两个miR390结合位点;（2）miR390在植物界中相当保守。TAS3在水稻和拟南芥上的高度保守性,为通过计算识别的方法在其他植物上发现候选的TAS3基因提供了可能。这些基因序列可用来分析TAS3家族在禾本科以及其他植物中的进化。本研究通过数据库挖掘和PCR扩增识别了56个候选TAS3基因。系统发育分析表明,在禾本科中,TAS3基因的扩张至少经历了3次基因组/基因倍增事件,并且许多TAS3基因已经在进化中丢失。我们的结果呈现了在基因组倍增事件背景下,禾本科中TAS3家族基因在进化中频繁生灭的历史。同时,序列分析表明在tasiARF和3’miR390互补位点之间的区域上,TAS3基因序列的相位排布结构具有高度的保守性,也就是说,这个区域长度的变化遵守以21nt为单位的规则。我们还在水稻和拟南芥的miR390靶标LRR激酶基因中找到了类似TAS3的序列。在这些结果的基础上,我们对TAS3基因的起源和产生机制进行了探讨。miRNA是长约21-24 nt的小RNA分子,最初作为pri-miRNA（primarymiRNA）的一部分由RNA聚合酶Ⅱ转录,pri-miRNA经加工后形成具茎环结构的miRNA前体（pre-miRNA）,然后由DCL进一步加工为成熟miRNA。miRNA通过介导对目标基因的降解或翻译抑制而产生转录后水平上的基因沉默功能。在水稻中,通过克隆或计算识别,也已发现了几百个miRNA。对拟南芥中含多成员的miRNA家族的进化研究发现,倍增或复制事件在这些miRNA家族的分化和进化过程中扮演了重要角色。miR156家族是植物中最早被鉴定的miRNA家族之一。这个家族在水稻中有12个成员,在45个不同的植物中均发现了miR156,且其在植物界中高度保守。研究表明,miR156的靶基因为SPL,是一种包含SBP盒的植物特异性转录因子。在位于水稻6条染色体上的12个miR156家族成员中,miR156b和miR156e基因（以下称为MIR156b/c）是位于1号染色体上的串联基因。一个全长cDNA（AK110797）同时编码这两个miRNA。miR156b的过表达导致水稻和玉米中的多分蘖和丛生性状。序列分析表明,MIR156b/c基因座位在禾本科作物中具有高度保守性,但是在双子叶植物中并不保守。同时,基因组倍增事件在miR156家族的进化过程中有重要影响。本研究对30个栽培稻和15个野生稻的MIR156b/c座位进行了测序。遗传多样性研究表明,栽培稻中MIR156b/c基因座位只保留了野生稻（Oryza rufipogon）约9%的核苷酸多样性。Tajima’s JD检验以及Fu and Li’s D*和F*检验的结果拒绝了中性假设（P＜0.05）,表明MIR156b/c基因座位在O.rufipogon中受到了显著的自然选择。在栽培稻中检测到强的正向选择信号,表明栽培稻也经历了显著的自然或驯化选择过程。为了获得水稻小RNA在基因组水平上的分布等特征,我们对前期所测定的680多万条水稻种子发育过程中产生的小RNA序列在水稻基因组上的分布和表达等进行了分析。结果表明,小RNA主要产生于重复序列和基因间隔区,且基因组不同区域上小RNA的产生量有非常大的差异,提示小RNA的产生有基因组区域上的特异性。水稻基因组倍增块之间小RNA分布的差异分析表明,基因组倍增事件在小RNA的进化过程中扮演重要的角色。

论文目录

• 致谢
• 缩写词
• 图一览表
• 表一览表
• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 植物基因组的倍增事件
• 1.2 禾本科植物的基因组共线性
• 1.3 植物小RNA
• 1.3.1 microRNA
• 1.3.2 SiRNA
• 1.3.3 tasiRNA
• 1.3.4 小RNA代谢途径相关蛋白
• 1.3.5 TAS3基因
• 1.3.6 miR156基因家族
• 1.4 系统发育树的构建方法和工具
• 1.4.1 多序列联配常用工具
• 1.4.2 系统发育树的推断和评估
• 1.4.3 系统发育树构建的常用软件
• 第2章 水稻等禾本科TAS3基因的比较与分子进化分析
• 2.1 材料和方法
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 TAS3基因的计算识别
• 2.1.3 PCR扩增和测序
• 2.1.4 TAS3基因序列分析
• 2.2 结果和讨论
• 2.2.1 禾本科中TAS3基因的计算识别
• 2.2.2 TAS3基因的PCR扩增和测序
• 2.2.3 TAS3基因的系统发育分析
• 2.2.4 相位的保守性
• 2.2.5 TAS3-like基因座位
• 2.2.6 TAS3基因的进化
• 2.2.7 TAS基因的起源
• 2.2.8 相位改变导致的TAS3基因的进化
• 第3章 水稻MIR156b/c基因的进化与选择分析
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 PCR扩增和测序
• 3.1.3 基因组数据
• 3.1.4 序列分析
• 3.2 结果和讨论
• 3.2.1 基因组倍增驱动的MIR156b/c的进化
• 3.2.2 禾本科作物之间MIR156b/c的高度保守性
• 3.2.3 MIR156b/c的遗传多样性和选择
• 第4章 水稻小RNA的全基因组分析
• 4.1 材料和方法
• 4.1.1 数据来源
• 4.1.2 序列分析
• 4.1.3 表达差异的统计分析
• 4.2 结果和讨论
• 4.2.1 小RNA序列的概况
• 4.2.2 产生小RNA位点的分布
• 4.2.3 在种子两个发育时期表达存在差异的基因座位
• 4.2.4 水稻基因组复制块上小RNA分布的差异
• 参考文献
• 作者简历