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《西北农林科技大学》 2019年
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刺槐根瘤菌种群遗传分析和比较基因组学研究

刘振山  
【摘要】:刺槐是一种近代跨洲迁移的豆科植物。刺槐迁移促进了其共生根瘤菌群之间的基因流动,然而宿主迁移对全球范围内刺槐根瘤菌的遗传结构的影响尚未明确。本研究以北美洲、欧洲和亚洲的刺槐根瘤菌为试验材料,分别利用种群遗传学和比较基因组学方法对刺槐根瘤菌共生基因的起源与进化进行了研究。主要研究结果如下:1.持家基因atpD和gln2的遗传多样性较为丰富,而rpoA的遗传多样性最低;共生基因nifH的遗传多样性最大,nodA的遗传多样性最小;共生基因的核苷酸多态性要比持家基因低至少一个数量级。6个持家基因和5个共生基因无基因重组。共生基因和持家基因都经历了强烈的纯化选择作用。2.286株中慢生根瘤菌可分为3个主要分支(Clade I、Clade II、Clade III)和1个混合分支,每个Clade至少包括17种单倍型,呈现一个星状结构的进化网络。没有任何一个单倍型同时存在于中国、德国和美国的种群中,美国种群具有较高的单倍型多样性,德国种群的共生基因具有主导地位。Clade I和Clade III存在连锁不平衡(p0.001),而Clade II存在遗传重组(p=0.263)。3.3个分支(Clade)具有不同的进化历史,Clade I、Clade II、Clade III在不同时期都经历了空间扩张事件,而Clade II也经历了种群数量扩张事件,并且种群扩张时间接近于其空间扩张时间,时间大约为123-823年之前,与刺槐引种进入中国并扩散传播的时间大体一致。4.德国是共生基因的起源中心,不同地区(中国、美国和德国)共生基因遗传多样性的分布现状是历史上独立的种群动态过程的结果,其中包括至少发生几千年之前的空间扩张事件和区域间的分化,而不是在过去几个世纪里随刺槐宿主迁移的结果。3个分支(N_(CI)、N_(CII)和N_(CIII))由祖先种群同时分化而来。5.比较基因组学研究结果表明,附属基因组占到了整个泛基因组的55.43%,同时还发现刺槐根瘤菌中有大量的噬菌体片段和转移元件,表明刺槐根瘤菌基因组高度杂合,对环境有极强的适应能力。随着菌株数目的增加,持家基因的数目越来越少,反而会发现更多的特有基因。6.平均核苷酸一致性分析表明,与刺槐结瘤的根瘤菌具有很高的基因组多样性。刺槐中慢生根瘤菌CCNWGS0123基因组包含五个复制子,一个染色体和四个质粒,其中plas4为共生质粒,一个保守的结瘤基因簇和一个保守的固氮基因簇位于plas4质粒上。plas4质粒与染色体是独立进化的,plas4质粒发生过低频率的同源重组事件,其连锁强度高于染色体部分。7.根瘤菌持家基因的系统发育树与共生基因热图的分层聚类结果大致相同,4个根瘤菌属清晰地分为四支。其中,中慢生根瘤菌属菌株拥有更多的共生相关基因,这可能是中慢生根瘤菌是与刺槐结瘤的优势菌群的原因之一。8.与“非刺槐”相比,刺槐中慢生根瘤菌染色体的差异很大,“非刺槐”中慢生根瘤菌几乎不含有plas4质粒中的同源片段,plas4质粒作为一个功能单元可以赋予根瘤菌与刺槐结瘤和固氮的能力,与染色体遗传背景无明显相关性。共生基因簇两翼序列高度保守,然而德国菌株的两翼序列表现出特异性,证明其经历了不同的进化历史。nod基因的保守性高于nif基因。大量的水平基因转移事件被检测到,并且更容易发生在近缘种之间。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S792.27

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