白桦全基因组测序及分析
白桦（Betula platyphylla）是桦木科(Betulaceae)桦木属（Betula）的落叶阔叶树种，主要生长在亚洲温带和寒温带地区，最典型的特征是纸张状剥离的灰白色树皮和长长的横纹样皮孔。白桦是我国北方重要的绿化和用材树种，同时还具有很高的药用价值，一直被科研人员所关注。然而，白桦目前还缺乏完整的基因组信息，这严重制约了相关研究的进展。因此，本研究将利用二代和三代测序技术，对白桦基因组进行调研，分别对其细胞器和细胞核基因组进行组装和注释，并分析其特征，最终得到较为完整的白桦全基因组信息，为白桦分子及育种研究奠定基础;同时基于东北林业大学高性能计算机集群，开发一套适合于高杂合林木基因组的拼接注释流程，为今后其他林木基因组的解析提供帮助。 基因组调研显示，白桦基因组大小约为432.9Mb，杂合率约为1.22％，重复序列含量约为47.9％，属于高杂合基因组。同时发现野外取材的白桦叶片含有细菌污染，可能会对测序结果产生影响。因此最终决定采用无菌的白桦组培苗作为试材，通过二代和三代测序技术完成白桦全基因组测序。 叶绿体基因组分析表明，白桦叶绿体基因组全长160，518bp，包含一对长26，056bp的反向重复序列(IRs)和被它们隔开的89，397bp的长单拷贝(LSC)和19，009bp的短单拷贝(SSC)片段。整个叶绿体基因组共注释得到129个基因，包含84个编码蛋白的基因，37个tRNA基因和8个rRNA基因。在编码蛋白的基因中，有3个使用了非ATG起始密码子。比较基因组学显示，壳斗目物种叶绿体基因组相对保守，但也存在一些变异热点区域，可以用于设计分子标记。RNA编辑位点识别表明，白桦叶绿体中至少有80处RNA编辑事件发生，其中大多数为C到U的转变，而少部分不是。特别是3个rRNA上的位点可以被编辑成2个以上不同的碱基，这在以往的研究中从未被报道过。对那些不改变氨基酸的同义编辑，其相对同义密码子使用度(RSCU)均有所提高。系统演化分析表明，与矮小桦（B.nana）相比，白桦和银桦（B.pendula）有着更近的亲缘关系。 线粒体基因组分析则显示，白桦线粒体基因组全长581，539bp，GC含量为45.5％。其上共注释得到了65个基因，其中编码蛋白的基因40个，tRNA基因22个，rRNA基因3个。重复序列分析表明，白桦线粒体基因组上有96个长散在重复序列，其中包括43个正向(forward)和53个回文(palindromic)重复序列。基因组比较的结果显示，白桦线粒体基因组与近缘种银桦线粒体基因组具有良好的共线性。白桦线粒体中共识别出475处RNA编辑位点，远多于叶绿体。共线性分析显示，白桦线粒体基因组中有5个长片段区块来自叶绿体，占总长度的4.2％。 白桦核基因组分析表明，共装配出contigs1，540条，总计430.4Mb，contig N50为754.6kb，GC含量为35.7％。利用子代和双亲的遗传图谱信息，将91.3％的contigs挂载到14条假染色体上。重复序列分析表明，白桦核基因组中的重复序列占50.54％，其中以转座子为主。非编码RNA注释共得到tRNA基因512个，rRNA基因265个。功能基因结构注释显示，在白桦核基因组上，共注释到编码蛋白的基因31，578个，基因区平均长度为4，229bp，CDS平均长度为1，089bp，每个基因平均含有4.78个外显子，鉴定出存在可变剪切现象的基因7，086个。BUSCO检测结果显示，94.2％的基因在白桦注释结果中被完整覆盖。基因功能注释结果表明，有27，965个基因得到了注释，占总数的88.6％。共线性分析显示，白桦与葡萄（Vitis vinifera）和毛果杨（Populus trichocarpa）基因组在染色体水平上有良好的共线性，且白桦和葡萄的一些典型共线性区域在毛果杨染色体上存在2个对应区域。全基因组复制分析进一步显示，白桦与葡萄一样，在被子植物形成后，仅经历了1次全基因组三倍化事件。系统演化分析则表明，白桦与银桦亲缘关系很近，两者大约于2.6Mya分开。
白桦;全基因组测序;叶绿体;线粒体;核基因
东北林业大学
博士
林木遗传育种
杨传平;曲冠证
2019
中文
S792.153
2020-04-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）