水稻線粒體基因組——序列多態(tài)性和基因組進(jìn)化，以及線粒體、葉綠體和細(xì)胞核基因組間的基因遷移.pdf

1、水稻是世界上最重要的糧食作物，全球半數(shù)以上的人口以其為主食。因其具有特殊的生理生化特征和作為人類糧食作物的經(jīng)濟(jì)學(xué)意義，一直以來是基因組計(jì)劃——高等植物基因組測(cè)序計(jì)劃中的重要模式生物之一。自2000年以來，中科院北京基因組研究所采用全基因組霰彈(Shot-Gun)法測(cè)序，完成了中國超級(jí)雜交水稻親本(93-11和PA64S)的全基因組序列“工作框架圖”和基因“精細(xì)圖”。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)該兩種水稻的線粒體基因組進(jìn)行了序列完成圖的組裝，并分析

2、了它們之間的序列多態(tài)性，基因組的進(jìn)化，以及線粒體、葉綠體和細(xì)胞核基因組間的基因遷移。 (一)利用水稻全基因組測(cè)序序列中高質(zhì)量的對(duì)線粒體基因組有著高覆蓋度的線粒體基因組相關(guān)序列，我們完成了兩種水稻的線粒體全基因組序列的組裝，其中93-11是秈稻品種，PA64S是具有粳稻母本起源的秈型不育系品種，它們分別為中國超級(jí)雜交水稻兩優(yōu)培九(LYP9)的父本和母本；又利用Syngenta公司公布的水稻全基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，我們完成了粳稻品種Nip

3、ponbare線粒體全基因組序列的組裝。在基因組序列分析上，我們把水稻不同亞種水稻間的線粒體基因組序列多態(tài)性稱為“亞種間差異”(intersubspecificvariations)；把水稻個(gè)體內(nèi)線粒體基因組序列的多態(tài)性稱為“種內(nèi)差異(intravaritalvariations)”。該研究中，我們?cè)谒揪€粒體“亞種間差異”位點(diǎn)上確定了96個(gè)單核苷酸多態(tài)性(singlenucleotidepolymorphism，SNP)位點(diǎn)、25個(gè)插

4、入和缺失(insertionanddeletion，InDel)突變位點(diǎn)，和3個(gè)片段序列差異(segmentalsequencevariation，SSV)位點(diǎn)。從這些差異中我們選擇了一些可以區(qū)別秈稻和粳稻的標(biāo)記性位點(diǎn)，并在不同的水稻品種中做了廣泛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。“亞種間差異”的數(shù)據(jù)表明線粒體基因組中單核苷酸多態(tài)性的平均發(fā)生率是0.02％，插入和缺失突變的平均發(fā)生率是0.006％，該兩類序列多態(tài)性的平均發(fā)生頻率分別為葉綠體基因組的2/5和1

5、/3，為細(xì)胞核基因組的1/21和1/38。利用“亞種間差異”的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)在基因組中發(fā)生的頻率，我們估算了秈稻和粳稻線粒體基因組的分化時(shí)間大概是在9萬到50萬年以前。在93-11和PA64S兩個(gè)個(gè)體中，“種內(nèi)差異”的數(shù)據(jù)表明它們的線粒體基因組中單核苷酸多態(tài)性的平均發(fā)生率分別是1.26％和1.38％，插入和缺失平均發(fā)生率分別是1.13％和1.09％。對(duì)種內(nèi)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)兩側(cè)的核苷酸出現(xiàn)的頻率進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)，發(fā)生單核苷酸突變的

6、位點(diǎn)兩側(cè)的核苷酸有著明顯的選擇性偏好，特別是5’-端和3’-端緊挨突變位點(diǎn)上的核苷酸，它們存在非常明顯的偏好性選擇。 (二)基因序列從細(xì)胞器(線粒體和葉綠體)基因組到細(xì)胞核基因組，以及在細(xì)胞器基因組間的遷移，并在新基因組內(nèi)進(jìn)行重新組合是高等植物中普遍存在的現(xiàn)象。在這一現(xiàn)象中，遺傳物質(zhì)從一個(gè)基因組到另一個(gè)基因組的遷移是有選擇性的，這主要是由于細(xì)胞器和細(xì)胞核基因組內(nèi)的DNA復(fù)制和修復(fù)系統(tǒng)存在不兼容性而引起的。通過對(duì)水稻93-11的細(xì)

7、胞核、線粒體和葉綠體基因組中tRNA的檢測(cè)和比較，我們得到如下結(jié)果(1)線粒體中有15個(gè)tRNA基因起源于葉綠體；(2)細(xì)胞核中有43個(gè)tRNA基因與線粒體tNRA基因相似，有80個(gè)tRNA基因與葉綠體tRNA基因相似；(3)細(xì)胞核中有32個(gè)tRNA基因同時(shí)與線粒體和葉綠體tRNA基因相似；(4)細(xì)胞核基因組中類似于線粒體和葉綠體的tRNA基因可以組成一套完整的tRNA來運(yùn)輸所必須的21種氨基酸。這些自細(xì)胞器中遷移過來的細(xì)胞核tRNA基

8、因中有超過97％的基因在細(xì)胞核基因組內(nèi)坐落在比較長的與該細(xì)胞器基因組相似的序列上(如該基因有大于20bp的側(cè)鏈細(xì)胞器序列)，也有接近40％的tRNA基因與其它的兩個(gè)或者更多個(gè)細(xì)胞器tRNA基因形成基因簇位于細(xì)胞核染色體上。同樣，線粒體中有著葉綠體起源的12個(gè)tRNA基因都有5’端和3’端大于20bp的側(cè)鏈葉綠體序列，并且這些基因間有著非常高的序列相似性。對(duì)發(fā)生遷移的tRNA基因以及它們的起源基因組中的同類基因進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析，我們發(fā)現(xiàn)高