论文摘要
作为一种重要的进化动力,多倍化促进了植物多样性,所有被子植物在进化过程中都经历了一次或几次全基因组加倍事件。多倍化会导致植物基因组和基因表达发生改变,这些变化使得多倍体更加适应环境,有助于它们向着稳定的方向进化。本论文选用芸薹属异源四倍体及其祖先种和芸薹属异源六倍体及其亲本为实验材料,探讨异源多倍化对GH3基因结构和表达、pre-mRNA可变剪接模式和lncRNA表达的影响以及阐明异源多倍体中lncRNA如何调控蛋白质编码基因表达。GH3基因家族参与了诸多与植物激素相关的生长和发育过程。在白菜型油菜、甘蓝和甘蓝型油菜中共鉴定出38、25和66个GH3基因。GH3基因不均匀地分布在甘蓝型油菜的染色体上,其中An和Cn亚基因组上分别有39和27个GH3基因,这分别与白菜型油菜和甘蓝基因组上的GH3基因数目相似。异源多倍化使得GH3基因家族在甘蓝型油菜中得到扩张,而且有6个新GH3基因产生。与祖先种相比,甘蓝型油菜中大多数GH3基因的外显子-内含子组成保持不变,但是启动子区域的顺式作用元件种类变化较大,而且表达模式也发生了显著变化。可变剪接是调节基因表达水平和蛋白质多样的一种重要机制,在许多生物学过程中起到了非常重要的作用。为了探讨异源多倍化对pre-mRNAs可变剪接模式的影响,我们在全基因组范围内对芸薹属异源六倍体及其亲本中的pre-mRNAs可变剪接模式进行分析。在白菜型油菜、埃塞俄比亚芥和芸薹属异源六倍体中共发现7913、14447和13205个可变剪接基因,芸薹属异源六倍体与亲本之间有56个差异可变剪接基因。芸薹属异源六倍体中选择性5’剪接位点通常位于组成型5’剪接位点上游4 bp处,而选择性3’剪接位点倾向位于组成型3’剪接位点下游3 bp处,这与母本很相似。芸薹属异源六倍体中有些基因的pre-mRNAs有不同于亲本的可变剪接类型,另一些基因的pre-mRNAs虽然有和亲本一样的可变剪接类型,但是剪接位点却不同于亲本。另外,在芸薹属异源六倍体中还发现了920个新可变剪接基因,这些基因显著性富集在“细胞芳香化合物代谢过程”,“细胞氮化合物生物合成过程”和“芳香族化合物生物合成过程”。对芸薹属异源六倍体非加性基因pre-mRNAs的可变剪接分析表明,下调的非加性基因pre-mRNAs更可能经历可变剪接,表明可变剪接可能参与了非加性基因表达调控。通过TA克隆和Sanger测序结果分析,我们发现GRP7/8基因的pre-mRNAs有不同于以往报道过的可变剪接类型,即新内含子,这种剪接类型的出现或许表明一种新的调控GRP7/8基因表达机制的形成。lncRNAs通过多种调控机制来影响基因的表达,参与了许多与植物生长发育相关的生物学过程。我们分别在白菜型油菜、埃塞俄比亚芥和芸薹属异源六倍体中鉴定出2725,1672和2810个lncRNAs。芸薹属异源六倍体与亲本之间共有725个差异表达的lncRNAs,这些差异表达的lncRNAs的表达模式被分成六大类,反应出芸薹属异源六倍体中lncRNAs表达的多样性。芸薹属异源六倍体中lncRNAs还呈现出父本偏向性和非加性的表达模式。我们发现lncRNAs直接通过顺式或反式作用调控蛋白质编码基因表达,大多数靶基因受到正向调控,这些靶基因主要富集在代谢过程、应对刺激、生殖、生物调节等过程,说明lncRNAs在这些生物过程中可能发挥比较重要的作用。最后,lncRNAs还可以作为miRNAs的前体或者靶标间接地调控蛋白质编码基因表达。我们发现61个lncRNAs可作为100个miRNAs的潜在靶标,15个lncRNAs可作为15个miRNAs的前体,由此看出lncRNAs可能参与miRNA-mRNA互作网络。同时,我们也查找到了lncRNAs的一些保守基序,保守的基序或许是lncRNAs发挥调控功能的关键。这些结果可为进一步研究植物多倍体中lncRNAs的功能和作用机制提供参考。综上所述,芸薹属异源多倍体中这些变化的产生有利于它们适应更广泛的环境条件,这些结果为深入探索植物多倍体进化及适应性的分子机制奠定了基础。
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论文创新点摘要ABSTRACT第1章 文献综述 1.1 植物多倍体的形成与进化优势 1.1.1 植物多倍体的分类和形成途径 1.1.2 植物多倍体的进化优势 1.2 植物多倍体的基因组变化 1.2.1 染色体的非整倍性 1.2.2 染色体重排 1.2.3 基因组序列的消除 1.3 植物多倍体的基因表达变化 1.3.1 基因沉默和激活 1.3.2 基因非加性表达 1.3.3 基因组织特异性表达 1.4 植物基因表达调控机制研究 1.4.1 表观遗传修饰对基因表达的调控 1.4.2 基因转录后加工对基因表达的调控 1.4.3 非编码RNA对基因表达的调控 1.5 芸薹属多倍体在植物多倍体研究中的应用 1.6 本研究的目的和意义第2章 甘蓝型油菜及其祖先种的GH3基因家族分析 2.1 材料与方法 2.1.1 实验材料 2.1.2 蛋白质序列比对、结构域的搜索与确认 2.1.3 GH3基因的定位与结构分析 2.1.4 GH3蛋白的理化性质和结构分析 2.1.5 直系同源基因和共线性基因的鉴定 2.1.6 GH3基因的复制模式分析和进化树的构建 2.1.7 同义（dS）和非同义（dN）替换率的计算 2.1.8 GH3基因启动子区域顺式作用元件的查找 2.1.9 GH3基因的表达模式分析 2.2 结果与分析 2.2.1 甘蓝型油菜及其祖先种GH3基因的鉴定 2.2.2 直系同源关系和共线性关系分析 2.2.3 甘蓝型油菜GH3基因来源分析 2.2.4 甘蓝型油菜及其祖先种中GH3 基因的复制模式 2.2.5 GH3基因家族的进化过程分析 2.2.6 GH3直系同源基因对的结构比较和GH3蛋白的特点 2.2.7 甘蓝型油菜与其祖先种之间GH3基因的顺式作用元件差异 2.2.8 甘蓝型油菜与其祖先种之间GH3基因表达模式差异 2.3 讨论 2.3.1 全基因组加倍对GH3基因家族的影响 2.3.2 GH3基因表达模式的变化可能有利于甘蓝型油菜适应性的提高第3章 芸薹属异源六倍体及其亲本的pre-mRNA可变剪接模式分析 3.1 材料与方法 3.1.1 实验材料 3.1.2 总RNA提取、cDNA文库构建及测序 3.1.3 基因组比对和基因表达分析 3.1.4 可变剪接事件的确认和差异可变剪接事件分析 3.1.5 GRP7/8基因的RT-PCR 3.1.6 TA克隆和Sanger测序分析 3.2 结果与分析 3.2.1 数据质量分析 3.2.2 芸薹属异源六倍体及其亲本中的基因表达情况 3.2.3 芸薹属异源六倍体及其亲本中pre-mRNA可变剪接事件分析 3.2.4 差异表达基因和差异可变剪接基因联合分析 3.2.5 不同基因家族成员的pre-mRNA可变剪接分析 3.2.6 芸薹属异源六倍体及其亲本之间pre-mRNA选择性5’和3’剪接位点的差异 3.2.7 芸薹属异源六倍体pre-mRNA可变剪接模式的变化 3.2.8 非加性表达基因的pre-mRNA可变剪接模式变化分析 3.2.9 芸薹属异源六倍体及其亲本中GRP7/8转录本的克隆分析 3.3 讨论 3.3.1 异源多倍化带来的pre-mRNA可变剪接模式变化 3.3.2 NI的出现对GRP7/8 基因的表达调控具有重要意义 3.3.3 Pre-mRNA可变剪接模式的变化可能影响多倍体适应性第4章 芸薹属异源六倍体及其亲本的lncRNA表达谱分析 4.1 材料与方法 4.1.1 实验材料 4.1.2 样品总RNA的提取和质量评估 4.1.3 测序文库的构建、质检和测序 4.1.4 原始数据的过滤、转录本的组装和定量 4.1.5 mRNA和 lncRNA的鉴定和差异表达分析 4.1.6 lncRNA的非加性表达分析 4.1.7 lncRNA-mRNA互作网络构建和靶标mRNA功能分类 4.1.8 lncRNA作为miRNA靶标和前体的预测 4.1.9 qRT-PCR验证高通量测序数据 4.2 结果与分析 4.2.1 数据质量分析 4.2.2 蛋白质编码基因表达分析 4.2.3 lncRNA的鉴定及其特点 4.2.4 lncRNA的偏向性和非加性表达模式 4.2.5 lncRNA对蛋白质编码基因表达的直接调控 4.2.6 lncRNA对蛋白质编码基因表达的间接调控 4.3 讨论 4.3.1 lncRNA以多种形式影响植物蛋白质编码基因的表达 4.3.2 lncRNA的调控可能增强了芸薹属异源六倍体的适应性第5章 结论与展望 5.1 主要结论 5.2 研究展望参考文献附录攻读博士学位期间发表及投稿论文致谢
文章来源
类型: 博士论文
作者: 王瑞华
导师: 王建波
关键词: 芸薹属,异源多倍体,进化,基因,可变剪接,表达模式
来源: 武汉大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 生物学,生物学
单位: 武汉大学
分类号: Q943.2
总页数: 179
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标签：芸薹属论文; 异源多倍体论文; 进化论文; 基因论文; 可变剪接论文; 表达模式论文;
芸薹属植物GH3基因家族及多倍化过程中基因表达调控研究
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