巴西橡胶树小孢子单细胞显微分离及其高通量测序研究

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巴西橡胶树(Hevea brasiliensis)属大戟科植物,是一种重要的热带经济作物,并作为天然橡胶的主要来源在我国热带和亚热带地区广泛种植。橡胶树具有生产周期长、基因型高度杂合、遗传背景复杂等特点。目前公布的8张巴西橡胶树遗传图谱,仍然存在饱和度不够等问题,为橡胶树的分子辅助育种工作带来了诸多难题。本研究以巴西橡胶树热研7-33-97幼嫩雄花为试验材料,探索并建立了橡胶树四分体和小孢子单细胞显微分离技术体系,并利用单细胞测序技术,分析小孢子单细胞在减数分裂过程中序列的变异情况,旨在为橡胶树遗传图谱提供新的基因与基因型,为构建橡胶树SNP遗传图谱和分子辅助育种提供理论与技术支持。具体研究结果如下:(1)以巴西橡胶树热研7-33-97(2n=36)外观长×宽约为2mm×1mm的幼嫩雄花为试验材料,采用常规压片法与细胞悬液法相结合法建立了适用于制备橡胶树四分体标本的体系。常规压片法选定处于减数分裂四分体时期的雄花材料作为制备标本材料,细胞悬液法制备出形态清晰、品质优良的四分体细胞悬液。(2)通过对拉针、磨针、分离单细胞以及显微分离步骤的探索,初步建立了一套适用于巴西橡胶树单细胞显微分离技术体系,包括巴西橡胶树四分体显微分离技术体系、酶解四分体胼胝质和小孢子单细胞显微分离技术体系。其中,酶解巴西橡胶树四分体胼胝质的最佳方案为:温度37℃,酶液选择5%纤维素酶和4%果胶酶混合酶,酶解时间为1h。利用建立的显微分离技术体系成功分离出巴西橡胶树热研7-33-97单个四分体约2500个,成功率为100%;随机对200个四分体进行小孢子单细胞显微分离,分离出小孢子单细胞约720个,成功率为85-90%,其中来自同一四分体的分离率为70-80%。(3)以巴西橡胶树小孢子单细胞为研究对象,对单细胞全基因组扩增试剂盒进行了优化。将50℃下裂解时间由50min优化为75min,第一轮指数扩增阶段循环数确定为17个循环,第二轮指数扩增阶段循环数确定为10个循环,优化后扩增产物量满足试验需求,效果良好。对Quick Cut限制酶酶切橡胶树基因组DNA方案进行了优化,优化后酶切DNA量为2μg,酶切时间为5min。利用酶切纯化后基因组DNA制备探针,对单细胞MALBAC-PCR第二轮体外扩增产物进行Dot-blot杂交,验证其扩增产物来自于巴西橡胶树基因组后,将其中5个小孢子单细胞样品(Hb-S1、Hb-S2、Hb-S3、Hb-S4、Hb-S5)的第一轮MALBAC-PCR扩增产物进行高通量测序。(4)对巴西橡胶树热研7-33-97的5个小孢子单细胞样品进行Illumina Hi Seq平台测序。利用基因组比对软件BWA对过滤后的有效数据与参考基因组巴西橡胶树热研7-33-97全基因组数据库(GCA_001654055.1)进行比对分析,获得总Map reads为338,829,330条,每个reads为150bp。利用突变分析软件ANNOVAR分别对巴西橡胶树5个单细胞样品的Map reads进行SNP和In Del变异检测,共获得4516个SNP变异位点,757个In Del变异位点。(5)利用Blast2GO和KEGG对获得的巴西橡胶树5个单细胞样品的SNP变异进行注释分析。经GO注释后获得6076个GO注释结果,其中生物学途径3413个,细胞组分897个,分子功能1766个。分别对5个单细胞样品的30个富集度较高的GO注释进行分析,发现SNP变异主要与细胞过程、生物合成与代谢过程、酶活性等功能相关。分别对5个单细胞样品的富集度较高的20个KEGG通路进行分析,发现SNP变异的基因表达较多,主要参与氨基酸和次生代谢物的合成、代谢途径等通路。(6)利用Blast2GO和KEGG对获得的巴西橡胶树5个单细胞样品的In Del变异进行注释分析。经GO注释后共获得1673个GO注释结果,其中生物学途径851个,细胞组分272个,分子功能550个。分别对5个单细胞样品的30个富集度较高的GO注释进行分析,发现In Del变异主要与金属离子运输、生物合成与代谢过程、脂质组成、酶活性等功能相关。5个单细胞样品In Del变异经KEGG注释后共获得29个KEGG通路,每个单细胞样品均无明显富集基因表达,且注释基因仅1-2个。
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