基于PCR方法检测转座子对拟南芥基因进化的适应性研究

论文摘要

转座子在植物基因组中的广泛存在及其在植物基因组的进化中扮演的重要角色使其越来越受到人们的关注。转座子可以以多种方式引起基因组和染色体的进化,包括插入引起的基因变异,基因的后移,染色体的重组,基因重复和为异位重组提供支点等。另外,转座子对基因的适应性进化也有重要意义。本研究选择来自世界不同地理来源的拟南芥（Arabidopsis thaliana）的34个生态型（包括已测序的哥伦比亚生态型）为实验材料,将与拟南芥分化时间已知的芸薹属和1个拟南芥属植物作为外类群,围绕转座子对其寄主基因的适应性意义进行了相关研究。首先用生物信息学方法对照已被测序的拟南芥基因组预测有转座子插入的基因,共发现2639个转座子和基因的结合体。再根据寄主基因的功能,转座子在基因中的长度和其插入在基因中的位置,从中选择了7个转座子基因的结合体。通过PCR方法在核苷酸水平上检测了转座子基因结合体在选择的所有实验材料中的存在频率,从而确定转座子的起源、转座子对寄主基因的适应性意义以及转座子在寄主基因中保留的意义。实验结果显示,基因1,2,3,4,5,6和7中的转座子在拟南芥（Arabidopsis thaliana）的34个生态型和外类群（或部分外类群）中都被稳定保留下来并固定在功能基因的外显子中,说明了这些基因中的转座子对它们的寄主基因的进化具有十分重要的适应性意义,并可能受到了一个选择清扫作用。由于拟南芥（Arabidopsis thaliana）与拟南芥外类群A.arenosa的分化时间是6百万年前,拟南芥（Arabidopsis thaliana）与芸薹属外类群的分化时间是14.5-24百万年前,而基因1,2,3,5,6和7中的转座子在所有的外类群中都存在,所以可以推测基因1,2,3,5,6和7中的转座子至少是在14.5-24百万年前插入的。基因4中的转座子在外类群大白菜和小白菜中不存在,但是在甘蓝、花椰菜和拟南芥外类群（A.areosa）中都存在,由于甘蓝与拟南芥（Arabidopsis thaliana）的分化时间是14.5-20百万年前,而该实验中外类群大白菜、小白菜和花椰菜与拟南芥（Arabidopsis thaliana）的分化时间是在24百万年前只是非常粗略的计算结果,那么我们就可以推测花椰菜与拟南芥（Arabidopsis thaliana）的分化比大白菜和小白菜与拟南芥（Arabidopsis thaliana）的分化更晚。多态性分析结果显示,基因1、基因4和基因6的转座子片段的SNP多态性都显著地高于转座子的侧翼区域,表明转座子在这些功能基因的编码区域的插入保留可能促进了基因的突变进化。自然选择检验结果也表明基因1中的转座子片段显著受到了正选择的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 转座子的种类
• 1.2.2 高等植物反转录转座子的特征
• 1.2.3 转座子的遗传变异与生物遗传多样性
• 1.2.4 转座子--基因组进化的动力
• 1.2.5 转座子对基因表达、功能和进化的影响
• 2 材料与方法
• 2.1 材料
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 试剂及耗材
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 拟南芥材料的种植
• 2.2.2 DNA 提取
• 2.2.3 实验所用基因的筛选
• 2.2.4 引物设计
• 2.2.5 PCR 反应
• 2.2.6 PCR 产物纯化
• 2.2.7 纯化产物测序
• 2.2.8 序列整理与分析
• 3 结果和分析
• 3.1 不同地理来源的拟南芥材料
• 3.2 选择的外类群
• 3.3 本实验筛选到的所用基因
• 3.4 被筛选到的基因的结构图及其在拟南芥生态型中的存在情况
• 3.4.1 基因1 的结构图与其在拟南芥生态型中的存在情况
• 3.4.2 基因2 的结构图与其在拟南芥生态型中的存在情况
• 3.4.3 基因3 的结构图与其在拟南芥生态型中的存在情况
• 3.4.4 基因4 的结构图与其在拟南芥生态型中的存在情况
• 3.4.5 基因5 的结构图与其在拟南芥生态型中的存在情况
• 3.4.6 基因6 的结构图与其在拟南芥生态型中的存在情况
• 3.4.7 基因7 的结构图与其在拟南芥生态型中的存在情况
• 3.5 转座子基因的结合体在外类群中的存在情况
• 3.5.1 基因和转座子的结合体在外类群中的存在情况
• 3.6 多态性统计分析
• 3.6.1 基因1 的多态性分析
• 3.6.2 基因2 的多态性分析
• 3.6.3 基因3 的多态性分析
• 3.6.4 基因4 的多态性分析
• 3.6.5 基因5 的多态性分析
• 3.6.6 基因6 的多态性分析
• 3.6.7 基因7 的多态性分析
• 3.7 距离分析
• 3.8 自然选择检验
• 4 讨论
• 4.1 转座子基因的结合体在拟南芥生态型和外类群中的存在情况 分析
• 4.2 多态性统计分析
• 4.3 转座子对基因进化的适应性意义
• 4.4 自然选择检测
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文