坛紫菜基因组结构特征及红毛菜功能基因组特性分析
红毛菜科物种是红藻门的代表物种之一，包括具有重要经济价值的大型红藻紫菜和海水红毛菜，其中坛紫菜是我国东南沿海特有的海洋经济养殖作物，占我国紫菜栽培总产量的75％。海水红毛菜含有大量高度不饱和脂肪酸二十碳五烯酸(EPA)，可达藻体脂肪酸含量的50％左右，是已报道的EPA含量最高的藻类。同时这两种物种位于相同的潮间带位置，是研究藻类适应各种逆境环境相关分子机制的理想物种。目前关于它们的细胞学、遗传学等都得到了广泛的研究，但是对基因组、功能基因组信息及相关的进化关系的了解仍然不够全面，对于了解其真正的遗传特性及其适应潮间带逆境的机制仍然缺乏系统的研究。本论文通过对坛紫菜基因组及功能基因组的研究，进一步了解坛紫菜基因组的结构特征，同时通过对海水红毛菜转录组及质体基因组特性的研究，推测了海水红毛菜EPA的合成途径，解析了红藻门物种的进化关系和分歧时间。 本论文主要包括以下几个内容:利用Hiseq2000技术结合生物信息学方法对坛紫菜基因组特征进行初步分析和认识;利用单分子测序技术对坛紫菜不同发育时期和胁迫处理条件下的转录组进行测序分析;利用Hiseq2000技术对海水红毛菜多个胁迫处理下的样品进行转录组分析，探索其EPA的合成途径;同时也利用二代测序技术结合Sanger测序方法获得了海水红毛菜完整的质体基因组。 主要研究内容如下: (1)坛紫菜全基因组大小的预估和框架图的绘制 本研究通过获得坛紫菜高质量的细胞核，然后利用流式细胞技术估算坛紫菜的核基因组大小。实验结果估算出的坛紫菜核基因组的大小为117.84±11.22Mb。然后采取全基因组扫描测序的方法，对坛紫菜的基因组进行了从头测序、组装。在坛紫菜基因组组装过程中，利用生物信息学手段，去除坛紫菜基因组中高拷贝的细胞器DNA和外源微生物的DNA，得到的无污染的坛紫菜基因组，拼接的结果为:contigN50为10，527bp，contig N90为2，625bp，基因组大小为29.8Mb。其平均GC含量为65.85％。总的包括971个反转录转座子，360个DNA转座子。用软件预测基因组中的SSR序列，共获得11，253个SSR，包括144种基序。从整个重复序列的组成来看，高GC占有优势。 (2)利用单分子测序技术分析坛紫菜转录组 利用单分子测序技术对不同世代和不同胁迫处理条件下的坛紫菜混合样品进行文库构建和测序，其中高质量的consensus isoform17，383条，平均长度为1.339bp，平均测序深度12X。对其基因内容的分析，发现大量逆境耐受相关候选基因。发现了在坛紫菜中存在12条类萌蛋白，对其进化关系进行分析，发现其单独聚为一大支，和现有的五类类萌蛋白和真萌蛋白互为姐妹群，推测坛紫菜中也存在类似高等植物响应干旱胁迫的机制。同时还发现坛紫菜不仅可以通过类胡萝卜素的合成途径来消除过剩的光能，而且还可能存在响应高光辐照的叶黄素循环途径。此外，结合基因组的数据分析共获得91，940种基因的可变剪接位点，3，274个基因的可变接形式。通过分析发现坛紫菜的转录组中共存在SC35、RS40、RS31和RS2Z33的四种类型的可变剪接因子，其中SC35和RS40分别具有3种和2种可变剪接形式，推测其可以通过增加转录本的复杂度来帮助坛紫菜适应各种环境胁迫。 (3)海水红毛菜转录组特性分析 利用Hieseq2000测序平台对海水红毛菜的混合样品的转录组进行测序分析，总共获得了71，069，330条raw reads，总的碱基数量约为7.11G，其平均的GC含量为63.99％。经过拼接总共获得41，935条unigene，平均长度为533bp，N50为645bp。海水红毛菜的转录组数据中含有多种类型的多不饱和脂肪酸去饱和酶，推测海水红毛菜中EPA含量较高可能是由于存在多种EPA的合成途径:即经典的n6途径、n3途径和连通的n6、n3途径和由其他不饱和脂肪酸酶介导的旁路。海水红毛菜中存在着酵母类型、动物P38、JNK和ERK5类型的MAPK信号系统，能响应多种应激因子，可能对其适应潮间带苛刻环境具有重要的作用。通过对海水红毛菜转录组的高通量测序数据的分析，构建了海水红毛菜中EPA的合成途径，为海水红毛菜完整的脂质合成特别是多不饱和脂肪酸合成的研究提供了基础数据。 (4)海水红毛菜完整的质体基因组特性分析 海水红毛菜的质体基因组是一个典型的环状结构，总长度为196，913bp，GC含量为33.5％。整个结构被两个同向的、不相同的重复区域（约4.8kb）区分为151kb的大拷贝区和36Kb的小拷贝区。两个重复序列主要编码16s rRNA,23srRNA，5s rRNA和两个转运RNA（trnI，trnA）。整个质体基因组包括207个蛋白编码基因，37个tRNAs和6个rRNAs，分别占据总序列的73.01％，2.07％和4.88％，总的编码区域占据总序列的79.96％。同时还发现14个重叠基因(psbC-psbD,atpD-atpF,ycf24-ycf16，rps19-rpl2,rpl23-rpl4，carA-ORF238和rpl24-rpl14）。这些结构表明海水红毛菜是一个高度紧凑和高编码能力的基因组。红毛菜目物种的质体基因组无论是在基因内容还是在基因结构上都是很保守的，显示其较慢的系统进化关系。我们利用红毛菜目质体基因组的信息来推算红毛菜目物种的分歧时间，时间结果显示海水红毛菜和Pyropia的分歧时间约为4.35亿年，和Porphyra的分歧时间约为3.61亿年。在Pyropia属内部，六个物种的共同的祖先在2.87亿年。
坛紫菜;红毛菜;结构特征;功能基因
中国海洋大学
博士
遗传学
茅云翔
2015
中文
Q949.29
141
2016-03-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）