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title: 植物基因家族全基因组分析平台构建及其在Dof中的应用
author: 王培培
Issued Date: 2018-5
Abstract: 自然状态中,植物在其整个生命周期中受环境的影响作用很深。包含Dof (DNA-binding with one finger)转录因子家族在内的很多基因家族都是植物基因组中所特有的重要组成部分,其在植物生长发育的整个生命周期以及在植物应激反应响应过程中都有重要作用。转录因子基因家族不仅参与各种生物、非生物胁迫应答反应,而且在调节植物环境适应性过程中发挥重要作用。21世纪以来,从反向遗传学角度也不断肯定了转录因子在植物转录调控以及转录后调控过程中扮演着尤为重要的角色这一事实。 基于分子生物学和生物信息学研究背景的复杂性,对于非专业人士的而言,目前,植物基因家族分析虽然有很多值得借鉴的研究成果与操作方法,但是仍然存在很多值得完善的地方。例如,植物基因家族分析具有方法多样化、可选择软件较多、分析流程复杂以及缺少一定的规范性等特点。由此,对于专业人士而言,可以根据自己的数据特点以及分析目的自主选择分析策略;而对于研究基因家族的非专业人员而言,面对学科差异的鸿沟与大数据分析的繁琐,搭建一个基因家族分析平台有其重要的现实意义。因此,本文设计并构建了一个植物基因家族全基因组鉴定与分析的平台,完善了平台分析流程与结构模块,以小桐子Dof基因家族的全基因组鉴定与分析为例,对该平台进行测试应用,主要实践结果进行了总结,展示如下:
1. 在小桐子中一共鉴定出了24个Dof基因,编码了33条Dof蛋白。蛋白质保守性分析发现每一个小桐子Dof蛋白都含有一个包含四个半胱氨酸的特殊锌指结构(Dof结构域),由52个氨基酸组成的保守结构中都含有28个高度保守的CPRC-S-TKFCY-NNY-QPR-FCK-C-R-GG-R-P-G结构,验证了小桐子Dof基因的保守性和可靠性。
2. 选取拟南芥和蓖麻作为外群分析Dof基因的演化关系,利用小桐子、拟南芥和蓖麻Dof蛋白保守序列构建系统演化树。结果显示,81个Dof基因归聚为A、B和C三大类,C类基因又被分为C1和C2两个亚类。其中,C类是最大的一个分组,包含了19个小桐子Dof蛋白,17个蓖麻Dof蛋白和25个拟南芥Dof蛋白。A类是第二大分组,包括了5个小桐子Dof蛋白,4个蓖麻Dof蛋白和7个拟南芥Dof蛋白。B类分组其成员只包含有小桐子Dof蛋白。
3.小桐子Dof基因家族成员的基因结构分析显示,小桐子Dof基因结构相对简单,内含子数目为1~3个。在小桐子、拟南芥和蓖麻三个物种中我们预测出了包含Dof锌指结构在内的10个可能有重要功能的保守的motif结构。Dof 基因染色体定位分析发现,24个小桐子Dof基因不均匀地分布于16条scaffold上。同时,我们检测了小桐子Dof基因的基因组复制事件,小桐子Dof基因通过片段复制与串联复制事件在基因组中进行扩张,其中主要方式是片段复制。24个小桐子Dof基因中,检测出26对发生片段复制事件的Dof基因,2对发生串联复制事件的Dof基因。28对发生复制的Dof基因中有82%的基因对的Ka/Ks值大于1,18%的基因对Ka/Ks值小于1,表明Dof基因在扩增过程中更大程度地受到正选择的环境压力作用,可能与Dof基因的功能适应性相关。
4. 在赤霉素处理试验中,除了3个小桐子Dof基因上调表达,多数的Dof基因表现出下调表达的现象;因为表现出明显的赤霉素响应现象(fold change>2)我们推测下调表达的JcDof-7 (Jatropha curcas Dof-7 )和 JcDof-10基因可能与小桐子赤霉素信号调节有关。盐胁迫处理时,上调表达的基因有JcDof-1,JcDof-13,JcDof-19 和JcDof-22,下调表达的基因有JcDof-6, JcDof-14,JcDof-15 和JcDof-17。JcDof-14 和JcDof-21基因在盐胁迫过程中具有明显的响应(fold change>2),其可能在小桐子盐胁迫响应过程中发挥重要作用。干旱环境中,JcDof-6 和JcDof-10基因表现出呈上升趋势的高表达现象,与干旱胁迫响应紧密相关。多组织器官表达模式分析发现,JcDof基因表达不具有明显的组织表达特异性;其中,在种子中高表达的基因有JcDof-5,JcDof-6和JcDof-9;在花中高表达基因有JcDof-2,JcDof-13,JcDof-14,JcDof-17 和JcDof-23。在DAP(-day after pollinated embryos)中高表达的基因有JcDof-2,JcDof-5,JcDof-6,JcDof-9,JcDof-11,JcDof-18和JcDof-23。其中有17个基因在14~45 DAP生长过程中有明显的差异表达现象;例如,JcDof-3,JcDof-17和JcDof-18基因有明显的表达量升高的现象并且在45DAP时表现为最高,它们可能在小桐子胚的生长发育过程中发挥着重要的作用。
Degree Level: 硕士
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王培培. 植物基因家族全基因组分析平台构建及其在dof中的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2018.
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