二倍体草莓基因组图谱构建与S位点演化研究

	二倍体草莓基因组图谱构建与S位点演化研究
	陈武
导师	章成君朱安丹
关键词	草莓属，基因组，自交不亲和，核糖核酸酶T2，S位点 Fragaria, Genome, Self-incompatible, RNase T2, S-locus
摘要	自交不亲和性（Self-incompatibility, SI）是物种内的一种生殖隔离机制，是指显花植物可育花粉在自我的雌蕊上被识别，而不能实现受精与形成合子的现象。该机制能促进植物的物种多样性形成与维持，增强其适应度。基于S-RNase类的配子体自交不亲和是显花植物中最古老、最普遍的一种类型，其中S-RNase基因和SLF基因分别为控制该类自交不亲和反应的雌雄蕊决定因子，包括这两个基因在内的单位点复等位结构被称为S单倍型或S位点（S-locus）。草莓属（Fragaria）为蔷薇目（Rosales）蔷薇科（Rosaceae）多年生常绿草本植物，包含约25个野生种，目前报道的二倍体野生种（2n＝2x＝14）约为13个，为雌雄同株，其交配系统包括自交不亲和型与自交亲和型（Self-compatibility, SC）两种类型。然而，草莓属自交不亲和性-自交亲和性转变的遗传基础尚不清楚。二倍体草莓相对较小的基因组（200-300 Mb），可遗传转化等特点为解析其自交不亲和/亲和S位点的复杂演化提供了良好的研究体系。迄今，仅报道了草莓属一个二倍体野生种中的2个S-RNase基因序列，雄蕊决定因子SLF基因未见报道、自交不亲和性丢失的成因也并未明确。本研究在对绿色草莓（F. viridis Duchesne）、日本草莓（F. nipponica Lindl.）、五叶草莓（F. pentaphylla Losinsk.）、黄毛草莓（F. nilgerrensis Schlecht. ex Gay）和森林草莓（F. vesca Lindl.）物种自交（不）亲和性验证的基础上，选取绿色草莓、日本草莓和黄毛草莓三个物种进行DNA三代测序，对绿色草莓、日本草莓、黄毛草莓和森林草莓四个物种的多个个体进行转录组测序，在构建三种二倍体草莓染色体级别基因组图谱信息的基础上，通过比较与进化基因组学的方法对草莓属自交不亲和性S位点进行鉴定与演化分析。主要结果如下： 1、构建了绿色草莓（SI），日本草莓（SI）和黄毛草莓（SC）这三种二倍体草莓染色体水平（2n=2x=14）的基因组图谱。结合Nanopore、Hi-C以及二代Illumina测序技术对它们的基因组进行了从头组装，组装的绿色草莓、日本草莓以及黄毛草莓基因组大小分别为266.88 Mb、290.87 Mb和286.04 Mb，contig N50分别为4.38 Mb、1.86 Mb和8.30 Mb；基于草莓属近缘物种的染色体映射或Hi-C数据挂载，分别将99.47%、99.40%和99.12%的基因组序列锚定到7条染色体上，Scaffold N50分别为41.36 Mb、42.10 Mb和42.15 Mb；利用DNA和RNA二代reads回比率、BUSCO评估和近缘基因组共线性比较等方法验证了本研究组装的三个基因组具有较高的准确性。绿色草莓、日本草莓以及黄毛草莓基因组分别注释得到34,624、33,576和29,629个基因，其中分别有94.81%、94.52%和97.86%的基因得到了功能注释；这三个基因组分别含有39.10%、48.82%和38.44%重复序列，其中反转座子重复序列均为占比最多的重复类型，分别为26.05%，32.16%和25.23%。 2、解析了日本草莓染色体水平的两套单倍型基因组序列。基于PacBio HiFi、Hi-C以及二代Illumina测序技术，进一步对日本草莓的基因组进行了单倍型分型组装，组装的基因组大小分别为242.55 Mb（Hap1）和238.81 Mb（Hap2），分别包含167和85条contigs，contig N50分别为21.81 Mb和22.08 Mb。Hap1和Hap2组装的染色体水平基因组的Scaffold N50分别为31.30 Mb和34.84 Mb，锚定到7条染色体序列的比例分别为96.99%和98.98%。BUSCO评估显示组装的两套单倍型基因组能覆盖的同源基因数均为98.5%，而未覆盖到的同源基因数均少于1.3%，说明组装的两套单倍型基因组有较高的完整性。 3、分析了六种二倍体草莓基因组中自交不亲和雌蕊决定因子（S-RNase基因）所属的RNase T2基因家族成员拷贝数变异及其进化机制。在六种二倍体草莓基因组中鉴定到14 - 27个RNase T2基因家族成员，共计115个，根据系统发育关系可将其分为3大分支（Class I - III），该家族的复制主要发生在Class I中，串联重复（TD）和片段重复（SD）事件是二倍体草莓基因组中RNase T2基因家族成员数目增加的主要驱动力；Class III的成员则更倾向于发生有害突变以及基因丢失。在日本草莓基因组（SI）中鉴定的RNase T2基因数目是饭沼草莓（F. iinumae Makino.）基因组（SC）鉴定数目的2倍，基因复制与丢失之间的数目差值是造成这两个基因组中该家族基因成员拷贝数变异的主要原因。 4、在对六种草莓基因组RNase T2基因家族进行分析的基础上，结合雌蕊的转录组数据和RT-PCR实验在绿色草莓、日本草莓、西藏草莓（F. nubicola Lindl.）和五叶草莓-四种自交不亲和草莓基因组中共获得13个候选的S-RNase基因，它们均包含3个外显子和2个内含子，其内含子长度具有快速演化的特点，最大可达到21.6 kb。在日本草莓基因组上鉴定的2个S-RNase基因（FnipRNS9-HG22和FnipRNS10-HG22）分别位于Hap1和Hap2这两套单倍型基因组上。日本草莓基因组中的2个S-locus被定位在S1.gene1（S2.gene1）和S1.gene44（S2.gene34）这2对保守基因对之间，将其命名为S1-locus和S2-locus，长度分别为591.47 Kb和429.21 Kb，相差162.26 Kb。S1-locus和S2-locus包含的重复序列大小相差155.34 Kb，占总长度差异的95.74%，说明重复序列含量是造成2个S-locus长度差异的主要原因。在S1-locus区间共注释到44个基因，其中包括1个候选的S-RNase基因（FnipRNS9-HG22）和13个F-box基因；在S2-locus区间共注释到34个基因，其中包括1个候选的S-RNase基因（FnipRNS10-HG22）和16个F-box基因。根据花药特异性表达以及功能结构域的特点，在S1-locus和S2-locus区间分别鉴定到10个和11个候选的SLF基因。 5、在两种自交亲和型草莓种（森林草莓和黄毛草莓）的雌蕊转录组中并未鉴定到候选的S-RNase基因，且在四种自交亲和型草莓（森林草莓，黄毛草莓，裂萼草莓以及饭沼草莓）的染色体水平基因组以及18个个体的重测序数据中均未鉴定到任何一个S-RNase基因（包括本研究鉴定的13个候选的S-RNase基因和2个公布的S-RNase基因）的相似片段，表明自交亲和型草莓种基因组序列中很可能丢失了S-RNase基因。在四种自交亲和型草莓（森林草莓，黄毛草莓，裂萼草莓以及饭沼草莓）基因组中共鉴定到8个伪Sψ-locus，长度范围为60.63 Kb至218.11 Kb; Self-incompatibility (SI) is a reproductive isolation mechanism within species, which refers to the phenomenon that the fertile pollen and the pistil are prevented fertilization and zygote formation. This trait promotes the formation and maintenance of plant species diversity and enhances their fitness. S-RNase-based gametophyte SI is the most common type among flowering plants. S-RNase and SLF genes are pistil and pollen determinants controlling this type of SI, respectively. The single multiallelic locus including these two genes is called S-locus. Fragaria is a perennial evergreen herb belonging to the Rosaceae family of the order Rosales, including about 25 wild species, of which about 13 diploid wild species (2n=2x=14) have been reported. The diploids are monoecious, and their mating systems include SI and self-compatibility (SC). However, the genetic basis for the transition from SI to SC is unclear. The relatively small genome (200-300 Mb) and the genetically transformable wild diploid Fragaria provide a suitable research system for investigating the complex S-locus evolution involving self-incompatible reaction. Heretofore, there are only two S-RNase genes from one single Fragaria species has been reported, and the pollen determinant (SLF gene) has not been reported. The cause of the SI loss has not been clarified. This study verified the SI/SC traits for F. viridis Duchesne, F. nipponica Lindl., F. pentaphylla Losinsk., F. nilgerrensis Schlecht. ex Gay, and F. vesca Lindl., and three of them (F. viridis Duchesne, F. nipponica Lindl., and F. nilgerrensis Schlecht. ex Gay) were selected for third-generation genomic sequencing and multiple individuals of four species (F. viridis Duchesne, F. nipponica Lindl., F. vesca Lindl. and F. nilgerrensis Schlecht. ex Gay) were selected for transcriptome sequencing. Based on the data described above, three chromosome-level genome maps were constructed, and the S-locus involved in SI of the Fragaria were identified and analyzed by using comparative and evolutionary genomics approaches. The main results are as follows: 1. The chromosomal level genome maps of two SI species (F. viridis Duchesne and F. nipponica) and one SC specie (F. nilgerrensis Schlecht ex Gay) were constructed. By integrating the data from Nanopore, Hi-C and Illumina sequencing, three diploid Fragaria genomes were de novo assembled. The assembled genome sizes of F. viridis, F. nipponica and F. nilgerrensis are 266.88 Mb, 290.87 Mb and 286.04 Mb, respectively, with the contig N50 of 4.38 Mb, 1.86 Mb and 8.30 Mb, respectively. By chromosomal mapping of closely related Fragaria species or Hi-C, 99.47%, 99.40% and 99.12% of the genome sequences were anchored to seven chromosomes, respectively. Their scaffold N50 were 41.36 Mb, 42.10 Mb and 42.15 Mb, respectively. The accuracy of the three newly assembled genomes was verified by the mapping ratio of DNA and RNA data, BUSCO assessment and collinearity comparison with closely related genom
语种	中文
	2022-11
学位授予单位	中国科学院大学
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.kib.ac.cn/handle/151853/75225
专题	昆明植物所硕博研究生毕业学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	陈武. 二倍体草莓基因组图谱构建与S位点演化研究[D]. 中国科学院大学,2022.

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陈武-二倍体草莓基因组图谱构建与S位点演（5072KB）	学位论文		限制开放	CC BY-NC-SA	请求全文