甘藍、白菜和甘藍型油菜中串聯(lián)重復序列的特征及其所在基因的功能分析.pdf

1、油菜(rapeseed)屬十字花科(Cruciferae)蕓薹屬（Brassica L.），是世界上五大油料作物之一。甘藍、白菜和甘藍型油菜是蕓薹屬中非常重要的栽培類型。白菜型油菜（Brassica rapa）起源于我國，栽培歷史悠久，遺傳變異豐富，抗病性相對較弱。甘藍（Brassica oleracea）是變種較多的蔬菜和飼料植物，被認為是英國及歐洲大陸海岸的野生甘藍經(jīng)長期種植馴化而成的品系。甘藍型油菜（Braasicanapus）是

2、廣泛栽培的油菜類型，適應性廣、抗病性好，在生產(chǎn)以及科研方面都占有極其重要的地位;但甘藍型油菜起源于歐洲，國內栽培歷史較短，種質資源相對匱乏。甘藍型油菜B.napus(AACC，2n=4x=38)是由其二倍體親本物種白菜B.rapa（AA，2n=2x=20）和甘藍B.oleracea(CC，2n=2x=18)經(jīng)天然雜交和染色體加倍而獲得的異源四倍體物種。甘藍型油菜基因組與二倍體親本（甘藍和白菜）基因組具有較高的同源性?，F(xiàn)代育種工作中，常通

3、過甘藍與白菜雜交的途徑獲得人工合成甘藍型油菜，這已成為豐富甘藍型油菜遺傳變異拓寬甘藍型油菜遺傳基礎的重要途徑。
　　人工合成甘藍型油菜的多倍化過程主要包括甘藍和白菜的種間雜交和染色體加倍兩大事件。種間雜交和染色體加倍過程必然伴隨著劇烈的基因組變異。這是因為種間雜交打破了物種間的界限，人為促進不同物種原有的獨立的遺傳物質的交流，擾亂了物種原有的調控網(wǎng)絡秩序，導致基因組間遺傳物質的重新調整與分配。研究表明，新合成多倍體的基因組發(fā)生了大

4、量的變異，這些變異也往往引起植物表型改變。
　　新合成多倍體基因組中，串聯(lián)重復序列（包括衛(wèi)星、小衛(wèi)星和微衛(wèi)星序列又稱簡單重復序列Simple sequence repeats，SSRs）的快速大量產(chǎn)生或消失可對基因組大小及結構產(chǎn)生重大影響，也是影響基因結構、表達，導致基因功能改變的重要因素。在多倍化過程中，串聯(lián)重復序列是如何產(chǎn)生和發(fā)生變異的，這些變異體的序列特征及其相互關系如何，它們對多倍體物種基因組的進化、物種表型和生物適應性會

5、產(chǎn)生怎樣的影響等，值得進一步研究。
　　本研究采用生物信息學分析與實驗驗證相結合的方法。首先利用生物信息學方法對已有的甘藍、白菜和甘藍型油菜三個蕓薹屬物種序列(Plant Genomics Databaseassembled Unique Transcripts，PUTs)，進行串聯(lián)重復序列的差異特征及對基因和基因組的影響分析。衛(wèi)星(satellite)和小衛(wèi)星（minisatellite）（即重復單元均大于10 bp的序列），我

6、們統(tǒng)稱為MiS-TR。結果如下:(1)來自于白菜的PUT-MiS-TR(PUT中檢測到的MiS-TR)的長度、重復單元大小和這些重復序列中的GC含量，與甘藍中的PUT-MiS-TR基本一致，均高于甘藍型油菜中的PUT-MiS-TR;但甘藍型油菜中PUT-MiS-TR的頻率、相關轉座子的數(shù)目和插入/刪除(Indel)事件發(fā)生頻率均高于親本物種。(2)甘藍和白菜中包含MiS-TR的PUT序列多定位于某些細胞元件及膜上;甘藍型油菜中，定位在質

7、膜和細胞器上的PUT序列高于白菜和甘藍。(3)白菜和甘藍中，參與蛋白結合的PUT-MiS-TR遠遠高于甘藍型油菜;具有核苷酸結合功能的PUT-MiS-TR、具有酶活性的PUT-MiS-TR在甘藍型油菜中所占比例均高于白菜和甘藍。(4)與二倍體親本白菜和甘藍相比，異源四倍體甘藍型油菜含有較高的SSR密度、較豐富的復合型SSR模體、并且含有較多的單堿基模體的SSR和較大的平均重復數(shù)，還可檢測到較多的與脅迫反應和發(fā)育過程有關的含有SSR的PU

8、T序列。因此推測，甘藍型油菜基因內部MiS-TR數(shù)量和分布規(guī)律的改變、SSR的快速大量產(chǎn)生，對新合成多倍體物種的進化以及多倍化過程中對環(huán)境變化的快速適應具有重要影響。
　　另外，我們構建了一個由自然甘藍型油菜和人工合成甘藍型油菜（甘藍×白菜）雜交后代衍生的DH（doubled-haploid DH）群體，簡稱NR-DH，并以一個雙親均為自然甘藍型油菜的DH群體，簡稱NN-DH，作為對照群體，研究了油菜基因組中的SSR變異:(1)N

9、R-DH群體中SSR的突變率（4.2×10-2每位點每世代）顯著高于對照NN-DH群體（3.2×10-3每位點每世代），且新型SSR變異體主要產(chǎn)生于NR-F1世代，其比例在NR-DH群體后代中得到保持;NR-DH群體所檢測到的編碼區(qū)內的SSR變異體中，多數(shù)SSR的變異導致基因區(qū)域發(fā)生移碼突變(62.5％);發(fā)生刪除或者插入突變的SSR變異體導致氨基酸的丟失(12.5％)或者增加(25.0％)。(2)與親本相比，NR-F1世代即有序列消失

10、現(xiàn)象出現(xiàn)，NR-DH群體中SSR消失序列的比例比NR-F1世代增加了三倍。(3)染色體定位分析表明，新型和消失的片段，在甘藍和白菜染色體上不均衡分布?？梢酝茰y在基因組純化過程中，來自白菜的A染色體組和甘藍的C染色體組與自然甘藍型油菜中的AC染色體組間的錯配是導致序列丟失進而導致甘藍型油菜基因組縮小的重要原因。
　　綜上所述，多倍化過程引起的串聯(lián)重復序列的大量發(fā)生、變異或消失，是多倍化過程在核酸水平上留下的重要印跡，反映了多倍體基因