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title: 基于转录组和基因组测序数据对星油藤亚麻酸和三酰甘油生物合成相关基因的分析
author: 胡晓笛
Issued Date: 2018-5
Abstract: 星油藤 (Plukenetia volubilis) 是一种多年生木质藤本植物,属于大戟科
(Euphorbiaceae), 原产于南美洲安第斯山脉的热带雨林。星油藤种子的含油量为
41-54%,种子油主要含多不饱和脂肪酸 (polyunsaturated fatty acids, PUFA),特别
是α-亚麻酸 (α-linolenic acid (ALA), C18:3 cis-Δ9, 12, 15, ω-3) 占总油量的50%。
ALA 是人体营养必需脂肪酸,可用于预防冠心病,高血压,糖尿病,关节炎,高
胆固醇,癌症以及自身免疫性疾病。因此星油藤油在食品和制药产业中具有巨大
的潜在经济价值。目前,星油藤中ALA 的代谢机制尚未明确。为探究星油藤中
ALA 的代谢机制,本研究采用Illumina 和PacBio 高通量测序技术对星油藤开展
转录组和基因组的研究,主要结果如下:
利用Illumina HiSeq 4000 测序平台对星油藤的8 个组织(顶端分生组织、
根、茎、成熟叶、雌花、雄花、果实和种子,每个组织3 个重复)进行转录组测
序,共获得约162 G 的数据。De novo 组装后,最终得到的平均长度为851 bp,
N50 值为1,909 bp 的124,750 个unigenes 数据集,其中70,124 个unigenes 可以
被注释到。对获得的unigenes 进行差异表达基因(differentially expressed genes,
DEGs)和组织特异性分析,24,196 非冗余基因被鉴定为DEGs。根、茎、顶端分
生组织、 成熟叶、 雄花、 雌花、 果实和种子中分别发现495、24、249、 390、
195、2,244、 287 和 388 个组织特异性基因。从de novo 组装的转录组中,我们
鉴定出211 个unigenes 可能参与ALA 生物合成;89 个unigenes 可能参与脂肪酸
(fatty acid, FA) 分解代谢途径。在种子中,大多数与ALA 生物合成代谢相关的
unigenes 上调表达,而与FA 分解代谢相关的基因下调表达。其中,脂肪酸去饱
和酶基因FAD3 和FAD7 的上调表达可能对ALA 在种子中的积累起到了重要作
用。
此外,利用二代Illumina Hiseq2500 和三代PacBio 测序数据,获得了星油藤
高质量的参考基因组序列,总长度为716.52 Mb,scaffold N50 为1.34 Mb,contigN50 为194.13 kb。预测星油藤基因组中编码蛋白基因为36,627 个,95.42%的基
因能够被NR、 TrEMBL、KEGG、KOG 和GO 数据库注释到。重复序列的总长
度约429 M,约占整个基因组的59.88%。此外,共有2,196 个非编码RNA 被鉴
定出来,其中tRNA622 个,rRNA 187 个,microRNA (miRNA) 452 个,snoRNA
705 个,snRNA 124 个。通过与其他八个物种的基因组进行比较分析,发现星油
藤基因组中特有的基因有758 个,属于228 个基因家族。星油藤和蓖麻有较近的
亲缘关系,其分化时间大约在49.4 百万年以前。在星油藤在进化的过程中,基因
组得到扩增的基因家族有431 个,收缩的基因家族有367 个,发生了两次全基因
组复制事件。与其他物种基因家族进化相比,星油藤基因组中基因家族的进化呈
现扩增的状态。扩增的基因主要为糖基水解酶基因和脂肪酸去饱和酶基因,这些
基因可能直接或间接地调控星油藤中ALA 的合成;对收缩的基因家族进行Pfam
分析,发现了与病程相关蛋白的基因,这类基因的收缩可能是星油藤植株比较容
易染病的一个因素。在星油藤进化的过程中,有32 个基因受到正选择,其中4
个基因与油脂合成相关,可能是星油藤高效积累ALA 的原因之一。在星油藤基
因组中,有124 个基因被鉴定和星油藤油脂代谢途径相关。其中,ALA 合成关
键酶基因FAD3 在种子中表达量较高,并且与FA 分解代谢相关的基因在种子中
表达较低,这一结果和转录组分析得到的结果一致。通过比较基因组分析,我们
认为星油藤中的脂肪酸分解代谢能力要弱于其他物种基因组,这可能是星油藤油
中ALA 含量高的原因之一。本研究通过利用转录组和基因组测序数据对星油藤
亚麻酸和三酰甘油生物合成相关基因进行了较为全面的分析,为进一步揭示星油
藤中油脂以及ALA 的代谢机制奠定了基础,也为其他油料作物油质的改良提供
相关的基因资源。
关键词:星油藤,亚麻酸代谢,转录组,基因组,测序
Degree Level: 博士
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胡晓笛. 基于转录组和基因组测序数据对星油藤亚麻酸和三酰甘油生物合成相关基因的分析[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2018.
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