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《中国海洋大学》 2013年
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藻类基因组LTR逆转座子发掘及海带(Saccharina japonica)转录组分析研究

梁夏源  
【摘要】:转座子(TE)在生物中分布广泛且是物种基因组重要组成部分。LTR逆转座子作为转座子重要成员之一,在物种基因组内部占有重要比例。LTR逆转座子的活动会影响临近基因的表达,甚至导致新基因的形成;同时由转座引起的重排可以在大尺度上改变基因组的组织结构;LTR逆转座子是真核生物染色体异染色质区的主要组成结构,其与端粒和着丝粒的联系与异染色质的形成及端粒结构维持有着密切关联。LTR逆转座子在高等植物基因组进化研究中已获得高度关注与深入研究,而在藻类基因组中,由于缺少成熟的基因组数据作为研究基础,因而使得LTR逆转座子研究仍有相当大的研究前景。 本研究中,通过使用LTR_FINDER以及LTR_STRUC对21种(6种原核藻,15种真核藻)目前已公布的藻类基因组数据进行了LTR逆转座子元件生物信息学分析。研究独立得到1635个LTR逆转座子元件,在6种原核藻类中并没有注释到相关LTR逆转座子,在15种真核藻类中的10种藻类注释到LTR逆转座子1635条注释LTR逆转座子序列,依次分别为:托瑞蚝球藻(Ostreococcus tauri)、细小微胞藻(Micromonas pusilla)、假微型海链藻(Thalassiosira pseudonana)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)、蓝隐藻(Guillardia theta)、小球藻(Chlorellavariabilis)、莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)、强壮团藻(Volvox carteri)、长囊水云(Ectocarpus siliculosus)以及角叉菜(Chondrus crispus)。其中,754条为包含有内部编码区的Ty1/Copia以及Ty3/Gypsy自主型LTR逆转座子,剩余均为非自主型逆转座子。序列结构的比较发现藻类LTR逆转座子与高等植物LTR逆转座子相似。统计表明在除角叉菜之外的9种真核藻中,LTR逆转座子所占整体基因组比例均不到1%,角叉菜LTR逆转座子则占到全基因组10%以上。使用LTR逆转座子内部逆转录酶与核糖核酸酶H的氨基酸序列进行系统聚类过程后发现藻类LTR逆转座子存在物种多样性,或为早期不同藻类所处于不同的进化地位与进化方式的差异所导致。根据全长序列对所有预测得到自主型LTR逆转座子序列进行分型分析后首次将藻类基因组内部自主型LTR逆转座子可分为三大类别ALTR1,ALTR2与ALTR3。分子进化分析表明藻类LTR逆转座子在基因组内部普遍受到负选择压力,首次针对褐藻水云基因组LTR逆转座子分类与逆转座插入位点分析及转录组同源序列分析发现,水云基因组内部LTR逆转座子分布于染色体各个位置,包括基因区内部内含子区与非基因区,亦存在逆转座子嵌套现象与LTR逆转座子序列外显子化现象。研究为藻类基因组中LTR逆转座子提供了普遍性数据,对进一步探索早期生物进化过程进行了铺垫。 海带(Saccharina japonica)是我国重要经济养殖藻类之一,也是海藻化工制碘的重要来源。溴氧化酶以及碘氧化酶的存在使海带得以对海水中的卤素进行富集,并且导致海带属内部富含卤素的情况,比起同为褐藻的水云,其中存在的碘氧化酶使海带中的碘含量远高于这类不含碘氧化酶的物种。这一作用使海带对其生理特性以及生长环境的影响具有非常重要的。在本研究中,使用了高通量测序技术Illumina solexia HiSeq2000,对海带转录组进行了测序分析。测序结果共得到了5.16GB原始测序数据,通过SOAPde novo拼接后得到98,627条scaffolds,平均长度为449bp;nr注释共得到19,040(20.94%)条Unigene,序列绝大部分匹配到褐藻与硅藻等藻类;COG注释共有6,760个scaffolds注释到23个categories内;KEGG注释中,2,665个scaffolds共注释到了306个通路。 对海带转录组中的钒离子依赖型卤素氧化酶(vHPO)基因进行分析,共得到42条包含该酶基因片段,其中5条为碘氧化酶(vIPO),37条为溴氧化酶(vBPO),没有发现氯氧化酶(vCPO)。其中得到了2条溴氧化酶全长序列,分别命名为sjvBPO1和sjvBPO2,序列相似性分析结果表明其与Laminaria digitata(掌状海带)相关基因相似性最高,包含保守的离子结合位点His残基,一系列保守的结构域。系统发育分析表明,vBPO基因与vCPO基因在原核生物时期即发生分化,同时,褐藻vBPO基因与vIPO基因由红藻/光合细菌一支进化而来,并且在褐藻分化之前发生了基因复制事件。信号肽与跨膜结构域预测也显示褐藻物种vHPO基因的明显特化趋势。
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