全基因組de novo測序探索陸地棉進化與纖維發育機制

2015-12-18    編輯:諾禾致源
基因組de novo測序:探索陸地棉進化與纖維發育機制

研究背景

陸地棉(Gossypium hirsutum L.)隸屬錦葵目(Malvales),錦葵科(Malvaceae),棉屬(Gossypium),因最早在美洲大陸種植而得名,是世界上最重要的棉花栽培品種,占全球棉花種植面積的90%以上。盡管陸地棉在棉花產業中占據核心地位,但由于其為異源四倍體,相關的全基因組測序工作一直難以開展。來自南京農業大學、北京諾禾致源、美國德克斯大學的國際團隊,利用最新測序技術,成功構建了高質量的陸地棉全基因組圖譜,為進一步改良棉花的農藝性狀提供了基礎,同時也為多倍體植物的形成和演化機制提供了新的啟示。

方法流程

樣品取材

基因組測序:陸地棉遺傳標準系TM-1
轉錄組:160個組織

文庫類型

小片段庫:180, 300, 500 bp
大片段庫:2, 5, 10, 20 Kb

測序策略

Illumina HiSeq 2000
Sanger測序
BAC-end

主要分析

1. 陸地棉基因圖譜繪制
2. A亞組和D亞組非對稱進化
3. A亞組和D亞組對陸地棉性狀的互補性貢獻
4. 棉纖維關鍵基因的表達及進化分析

研究結果

1、陸地棉基因組大小為2.5 Gb,組裝結果contig N50達到34 Kb,scaffold N50達到1.6 Mb,其中92%的scaffold可定位到染色體上。組裝結果優于目前已測序的多倍體植物油菜(N50=764 Kb)、煙草(N50=345-386 Kb)等。

2、通過比較陸地棉(AADD)、雷蒙德氏棉(DD)和亞洲棉(AA)的基因組序列,估算出陸地棉形成于一百萬至一百五十萬年前。在陸地棉形成后的一百多萬年內,A亞組不僅有更高的蛋白質進化速率,其染色體重排發生頻率以及基因丟失和失活的頻率均顯著高于D亞組(圖1)。

3、分析發現811個正選擇基因(470個在A亞組,341個在D亞組),在A亞組中,正選擇基因與纖維長度的發育有重要關系;而在D亞組中,正選擇基因多與抗性有關。該結果表明陸地棉繼承了兩個祖先種中各自的優良性狀,因此具有良好的纖維品質及廣泛的適應性。

4、對MYBCESA等纖維發育相關的重要基因開展了表達及進化分析。MYB基因家族中的一個分支在纖維發育中起重要的作用;陸地棉中多個CESA基因在馴化過程中受到了顯著的正選擇作用,可能與棉纖維品質的改良有直接關系(圖2)。

四種反硝化功能基因在各樣品中的相對豐度熱圖

圖1   異源多倍體棉花基因組共線性分析與非對稱進化圖

MYB基因家族表達模式分析

圖2   MYB基因家族表達模式分析

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