利用單細胞測序技術剖析玉米遺傳重組交換和單倍體誘導的機制.pdf

1、單細胞測序技術是近幾年快速發(fā)展的一種新技術，雖然廣泛應用于人類和動物遺傳學，胚胎學和免疫學等學科的研究和疾病的診斷與治療，但是植物單細胞測序研究仍然困難重重。本研究以玉米的花粉為模式材料，探索植物單細胞的分離和測序技術，建立相應的分析平臺。在此基礎上，通過兩個實例研究探討單細胞測序技術在植物領域的應用:1）通過對玉米四分體的四個小孢子的測序分析，首次在單細胞水平探討了植物重組的遺傳基礎;2）通過對不同時期玉米單倍體誘導系的花粉進行測序分

2、析，探討了玉米單倍體誘導(HI)發(fā)生的機制和規(guī)律。主要結果如下:
　　1.發(fā)展一種分離植物單個四分體孢子的方法，用于基因組多重置換擴增(MDA)。對來自24個F1四分體的96個小孢子的擴增DNA樣品進行了全基因組重測序，平均深度為1.4X，平均基因組覆蓋度為41％。通過測序，共獲得599，154高密度的SNP（Single Nucleotide Polymorphisms）標記，其相鄰SNP物理間距的中位數(shù)為235bp。通過比較小

3、孢子基因組的遺傳背景，共鑒定到924個被精細定位的同源重組交換(CO)，發(fā)現(xiàn)玉米一次減數(shù)分裂平均發(fā)生38.5個CO。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，CO更傾向于發(fā)生在靠近基因的區(qū)域，而且常常富集于基因的5'和3'末端。通過對5個CO區(qū)段進行Sanger測序，在每個區(qū)段中都發(fā)現(xiàn)了基因轉換(GC)，表明CO的產(chǎn)生常伴隨著GC的發(fā)生。首次在小孢子中檢測到了較強的交換負干涉和較弱的染色單體干涉。本研究在增強對減數(shù)分裂重組發(fā)生機制理解的同時，也為進一步提高育種效率

4、提供了新思路。
　　2.發(fā)展一種分離誘導系CAU5成熟花粉單核的方法。利用該方法，分離到來自22個CAU5花粉的66個單核。同時分離到來自18個CAU5四分體的72個小孢子。將CAU5的單核及單細胞樣品進行基于PCR的全基因組擴增(WGA)后，對其進行高通量測序和拷貝數(shù)變異(CNV)分析。發(fā)現(xiàn)誘導系CAU5在三核花粉期存在高頻的染色體非整倍性變異（6/22個花粉），而在四分體時期只存在很低頻的倍性異常（1/72個小孢子），這說明誘

5、導系的花粉在減數(shù)分裂期之后會產(chǎn)生染色體的片段化現(xiàn)象。
　　3.發(fā)展一種分離常規(guī)自交系單精子的方法。利用該方法，分離到來自普通自交系B73的25個花粉的50個單精子和來自B73背景的誘導系（B73-inducer，80％的B73背景和20％的CAU2誘導系背景）的26個花粉的52個單精子，然后進行基于PCR的全基因組擴增，對其進行高通量測序和CNV分析。在B73-inducer的單精核中發(fā)現(xiàn)高頻的染色體非整倍性（14/52精核）變異

6、，頻率遠遠高于自交系B73（3/50精核），說明單倍體誘導的發(fā)生可能和花粉精核的非整倍性變異相關。
　　4.為了進一步證明花粉染色體片段化與單倍體胚誘導之間的關系，對來自與誘導系雜交授粉后9天的88個籽粒中的81個胚和81個胚乳DNA進行高通量測序分析。在7個胚中發(fā)現(xiàn)了父源基因組的全部消除。在1個胚中發(fā)現(xiàn)了大部分父源基因組的消除，但仍有少部分殘余。在3個樣品中檢測到小片段的CNV。基于以上數(shù)據(jù)，得出結論:染色體的片段化是單倍體誘導