梨花粉单倍体基因组组装及花柱自交不亲和基因表达特性研究

来源 :南京农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:JEEFHARDY
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一套完善的单倍型基因组对于物种在重测序,进化,基因功能研究等方面具有非常重要的意义。然而对于一些高度杂合且含有大量重复序列的基因组,例如梨,其单倍体基因组组装无疑是一个难题。此外,梨自交不亲和机制的存在也限制着后续的农业生产。本研究首先利用梨花粉单细胞基因组信息将之前梨基因组的38,304条细菌人工染色体(Bacterial artificial chromosome,BAC)序列分配到两套独立的单倍型中并实现了梨单倍型基因组图谱的绘制,通过单倍型基因组图谱信息对‘砀山酥梨’的等位基因以及参考基因组中的嵌合组装进行了鉴定。其次,结合自花异花授粉后花柱转录组学测序和激素处理又对梨梨自交不亲和过程中S-RNase的表达调控进行了分析,研究结果如下:1,利用生物酶去除花粉细胞壁并获取单个花粉原生质体,利用单细胞扩增技术对12个花粉原生质体细胞进行的单独扩增,接着结合极微量建库进行高通量测序获取12个花粉单细胞的单倍体信息。利用测序获得的花粉单倍型基因组信息结合‘12位二进制码’对之前梨基因组测序中所构建的38,304条细菌人工染色体(BAC)进行编号,建立每条细菌人工染色体(BAC)与‘砀山酥梨’两个单倍型之间的联系,结合大部分BAC在染色体水平参考基因组中的定位情况,对BAC进行了单倍体分型。最终将分型后的BAC进行独立组装,结果显示单倍型A基因组大小为546MB,单倍型B基因组大小为536MB。此外,利用组装好的单倍型基因组,也鉴定了 12个花粉中的减数分裂重组事件,结果表明12个花粉单细胞中总共发生264次减数分裂重组事件,平均每条染色体1.3次,并且大多数的减数分裂重组事件均发生在染色体的两端。2,分别对单倍型A,单倍型B以及参考基因组三套基因组之间进行了比较分析,利用BUSCOs软件对基因组质量进行评估,结果发现单倍型A和单倍型B的组装质量要略高于参考基因组,丢失比例降低了 1.4%。通过基因注释总共获得41904个编码蛋白的基因,其中单倍型A中33559个,单倍型B中37805个,并且两个锚定单倍型基因中的锚定基因数量提升了 3930个。此外,与自交不亲和相关的重要基因S17-RNase也最终被锚定在单倍型B中17号染色体的968kb位置,而F-box(SFB)依旧呈现串联重复形式并被锚定在17号染色体3.9~4.0M的位置,两者之间的距离在3M并且这段区域在12个花粉单细胞中没有发生任何重组。通过单倍型与参考基因组之间的比较共发现3479个由于嵌合组装导致的错误组装基因,其中有1034个嵌合位点会导致氨基酸编码出现错误。在比较单倍型A和单倍型B过程中,共发现33904个等位基因,其中单倍型A所特有的共236个,单倍型B所特有的共291个。最后,结合果实发育过程中的转录组数据发现了 1926个等位差异表达基因,2079个具有单等位表达特性的基因,其中与果实品质相关的基因共95个。3,基于转录组测序,分别对‘砀山酥梨’花柱自花和异花授粉48小时后的差异基因进行鉴定,结果表明共有1890个与自花授粉相关的花柱响应基因,1796个与异花授粉相关的花柱响应基因。KE GG通路分析显示与‘植物激素信号转导’和‘病原互作’通路相关的基因在自花授粉中发生显著的富集,而S-RNase的表达量在异花授粉后会发生显著下调。为了更好的理解S-RNase与以上两条KEGG通路之间的关系,我们测定了空花柱和自花异花授粉花柱中6种激素的含量,结果发现茉莉酸甲酯,脱落酸,赤霉素,吲哚乙酸和玉米素核苷都会受到授粉的影响,并且茉莉酸甲酯在异花授粉后含量会显著下降,而在自花授粉后含量相对稳定。此外,6种激素处理未授粉花柱后花柱S-RNase的表达量会被茉莉酸甲酯和脱落酸所诱导。最终我们发现授粉,激素信号以及病原信号之间的关系。
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