坛紫菜基因组结构特征及红毛菜功能基因组特性分析

1、坛紫菜基因组结构特征及红毛菜功能基因组特性分析 红毛菜科物种是红藻门的代表物种之一 , 包括具有重要经济价值的大型红藻 紫菜和海水红毛菜 , 其中坛紫菜是我国东南沿海特有的海洋经济养殖作物，占我 国紫菜栽培总产量的 75%。海水红毛菜含有大量高度不饱和脂肪酸二十碳五烯酸 (EPA),可达藻体脂肪酸含量的50流右,是已报道的EPA含量最高的藻类。同时这两种物种位于相同的潮间带位置 , 是研究藻类适应各种逆境环境相关 分子机制的理想物种。目前关于它们的细胞学、遗传学等都得到了广泛的研究 , 但是对基因组、功能基因组信息及相关的进化关系的了解仍然不够全面 , 对于了 解其真正的遗传特性及其适应潮间带

2、逆境的机制仍然缺乏系统的研究。本论文通过对坛紫菜基因组及功能基因组的研究 , 进一步了解坛紫菜基因组 的结构特征 , 同时通过对海水红毛菜转录组及质体基因组特性的研究 , 推测了海 水红毛菜EPA的合成途径,解析了红藻门物种的进化关系和分歧时间。本论文主 要包括以下几个内容： 利用 Hiseq2000 技术结合生物信息学方法对坛紫菜基因组 特征进行初步分析和认识； 利用单分子测序技术对坛紫菜不同发育时期和胁迫处 理条件下的转录组进行测序分析； 利用 Hiseq2000 技术对海水红毛菜多个胁迫处 理下的样品进行转录组分析,探索其EPA的合成途径；同时也利用二代测序技术 结合 Sanger 测序

3、方法获得了海水红毛菜完整的质体基因组。主要研究内容如下： (1) 坛紫菜全基因组大小的预估和框架图的绘制本研究 通过获得坛紫菜高质量的细胞核 , 然后利用流式细胞技术估算坛紫菜的核基因组 大小。实验结果估算出的坛紫菜核基因组的大小为 117.84 11.22Mb。然后采取全基因组扫描测序的方法 ,对坛紫菜的基因组进行了从头测序、组装。在坛紫菜基因组组装过程中 , 利用生物信息学手段 , 去除坛紫菜基因组中高拷 贝的细胞器DNA和外源微生物的DNA得到的无污染的坛紫菜基因组,拼接的结果为：con tigN50 为 10,527bp, con tig N90为 2,625bp,基因组大小为 29.

4、8Mb。其平均GC含量为65.85%。总的包括971个反转录转座子,360个DNA专座子。 用软件预测基因组中的SSR序列，共获得11,253个SSR包括144种基序。 从整个重复序列的组成来看，高GC占有优势。(2) 利用单分子测序技术分析坛紫菜转录组利用单分子测序技术对不同世代 和不同胁迫处理条件下的坛紫菜混合样品进行文库构建和测序 , 其中高质量的 consensus isoform17,383 条,平均长度为1.339bp,平均测序深度12X。对其基 因内容的分析 , 发现大量逆境耐受相关候选基因。发现了在坛紫菜中存在 12 条类萌蛋白 ,对其进化关系进行分析 , 发现其单独 聚为一大

5、支 , 和现有的五类类萌蛋白和真萌蛋白互为姐妹群 , 推测坛紫菜中也存 在类似高等植物响应干旱胁迫的机制。 同时还发现坛紫菜不仅可以通过类胡萝卜 素的合成途径来消除过剩的光能 , 而且还可能存在响应高光辐照的叶黄素循环途 径。此外,结合基因组的数据分析共获得 91,940 种基因的可变剪接位点 ,3,274 个基因的可变接形式。 通过分析发现坛紫菜的转录组中共存在 SC35、RS40、RS31 和RS2Z33的四种类型的可变剪接因子，其中SC35和RS40分别具有3种和2种可 变剪接形式 , 推测其可以通过增加转录本的复杂度来帮助坛紫菜适应各种环境胁 迫。(3) 海水红毛菜转录组特性分析利用

6、Hieseq2000 测序平台对海水红毛菜的 混合样品的转录组进行测序分析 ,总共获得了 71,069,330 条 raw reads, 总的碱 基数量约为7.11G,其平均的GC含量为63.99%。经过拼接总共获得41.935条 unigene, 平均长度为 533bp,N50 为 645bp。海水红毛菜的转录组数据中含有多种类型的多不饱和脂肪酸去饱和酶 , 推测海水红毛菜中EPA含量较高可能是由于存在多种EPA的合成途径：即经典的n6 途径、n3途径和连通的n6、n3途径和由其他不饱和脂肪酸酶介导的旁路。海水 红毛菜中存在着酵母类型、动物P38 JNK和ERK5类型的MAPK!号系统,能响

7、应 多种应激因子 , 可能对其适应潮间带苛刻环境具有重要的作用。通过对海水红毛菜转录组的高通量测序数据的分析 , 构建了海水红毛菜中EPA的合成途径,为海水红毛菜完整的脂质合成特别是多不饱和脂肪酸合成的研 究提供了基础数据。 (4) 海水红毛菜完整的质体基因组特性分析海水红毛菜的质 体基因组是一个典型的环状结构 , 总长度为 196,913bp, GC 含量为 33.5%。整个结构被两个同向的、 不相同的重复区域 (约 4.8kb) 区分为 151kb 的大拷贝区和36Kb的小拷贝区。两个重复序列主要编码16s rRNA,23srRNA,5s rRNA和两个转运 RNA(trnI,trnA) 。整个质体基因组包括207个蛋白编码基因,37个tRNAs和6个rRNAs,分别占 据总序列的 73.01%,2.07%和 4.88%,总的编码区域占据总序列的 79.96%。同时还 发现 14 个重叠基因(psbC-psbD,atpD-atpF,ycf24-ycfl6,rps19-rpl2,rp123-rpl4,carA-ORF238和rpl24-rpl14) 。这些结构表明海水红毛菜是一个高度紧凑和高编码能力的基因组。 红毛菜目 物种的质体基因组无论是在基因内容还是在基因结构上都是很保守的 , 显示其较 慢的系统进化关系。我们利用红毛菜目质