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小麦属叶绿体基因组生物信息学分析

李裕华  
【摘要】:小麦(Trticum aestivum L.)是我国主要的粮食作物,也是世界上最重要的谷物之一。随着环境变化和生活水平的提高,人们对小麦的产量和品质有了更高的要求。偃麦草属植物(Thinopyrum spp.)和山羊草属植物(Aegilops Linn.)是小麦的近缘物种,同小麦属植物一样,一直以来都被视为小麦遗传改良的资源库。叶绿体是植物细胞所特有的细胞器,是光合作用的主要场所。叶绿体拥有独立的核外基因组,编码与自身功能相关的部分基因,具有半自主性。叶绿体基因组(chloroplast DNA,cp DNA)中含有大量功能基因,其在物种鉴定及系统进化研究中的应用价值已经受到研究者们的广泛关注和逐步认可。由于高通量测序技术的迅速发展,小麦属植物的叶绿体基因组不断被测序,由此产生了大量数据信息。本研究以小麦及其近缘种共17个物种的叶绿体全基因组序列为研究对象,揭示其结构特征,对其重复序列进行统计分析,同时通过比较基因组学的方法分析其反向重复区(Invert repeat,IR)边界、差异热点区和共线性。随后我们分析了小麦属12个种的叶绿体基因组密码子偏好性,揭示了影响其密码子偏好性的主要因素,为小麦属植物叶绿体基因组的进化遗传学和叶绿体基因工程研究奠定基础。主要研究结果如下:(1)小麦属叶绿体基因组均为双链环状四分体结构,长度在135835-136157bp之间,编码121-133个基因,其中32-39个t RNA,4个r RNA。GC含量均接近于38.3%。在小麦及其近缘种属共17个种的叶绿体基因组中,检测到串联重复序列27-39个,散在重复序列45-57个,统计到的简单重复序列总次数在1110-1251。(2)通过比较基因组学研究发现,硬粒小麦在进化过程中,叶绿体基因组IR边界发生了收缩;小麦属叶绿体基因组的差异热点区主要集中在非编码区,编码区分布较少,说明编码区较为保守;共线性分析发现禾本科物种内的基因组结构及基因排列顺序基本一致,呈线性化排列,禾本科物种叶绿体基因组结构相对于双子叶植物烟草、拟南芥、棉花在LSC存在两个明显的倒位片段以及一个小片段移位。(3)小麦属12个物种的叶绿体基因相对同义密码子使用度(Relative synonymous codon usage,RSCU)分析结果显示,使用频率较高的密码子大多为NNA和NNT,即这些物种编码叶绿体基因的密码子末端碱基大多为AT。(4)有效密码子数(Effective number of codons,ENC)绘图分析结果显示大部分基因位于预测曲线以下;奇偶偏好(Parity Rule 2,PR2)绘图分析结果显示,小麦属植物的叶绿体基因组中密码子的第三位显示出T/C偏差;中性绘图的斜率表示突变压力仅占12.45%~30.55%,表明突变压力对密码子使用偏好性的影响较小。(5)对应性分析结果表明ENC和密码子适应指数(codon adaptation index,CAI)是影响小麦属对应性分析结果中轴1的主要影响因素,推断出基因表达水平对小麦属密码子偏好性存在影响。


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