發(fā)布時間：2017-12-14 12:39

  本文關(guān)鍵詞：組學(xué)數(shù)據(jù)整合與功能模塊化分析構(gòu)建棉花全基因組注釋體系

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【摘要】：棉花是世界上重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,涉及農(nóng)業(yè)和紡織工業(yè)兩大重要的國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。自2012年起,隨著雷蒙德氏棉(D基因組)、亞洲棉(A基因組)和陸地棉(AD基因組)全基因組測序組裝工作的相繼完成,對棉花基因組結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行精細(xì)注釋也越發(fā)迫切。目前公共平臺已積累了大量的組學(xué)數(shù)據(jù),通過對高通量轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組數(shù)據(jù)的整合與分析,在全基因組水平上對棉花基因進(jìn)行精細(xì)注釋,將有助于研究棉花生長發(fā)育和應(yīng)對脅迫的調(diào)控機(jī)制。本研究以A基因組亞洲棉和異源四倍體AD組陸地棉為主要研究對象,整合現(xiàn)有轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),分別構(gòu)建了兩種棉花的全基因組共表達(dá)網(wǎng)絡(luò),并根據(jù)不同的生長階段和脅迫處理條件,利用基因表達(dá)譜展示手段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)動態(tài)解析,成功預(yù)測了調(diào)控重要農(nóng)藝性狀(如纖維生長和水分脅迫應(yīng)答)的功能模塊。為了提高預(yù)測的可信度,將全局共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)作為研究基礎(chǔ),加入直系同源分析、順式作用元件分析和基因集富集分析(GO、KEGG和基因家族)等手段對基因功能進(jìn)行模塊化注釋,并利用集團(tuán)滲透算法分別在亞洲棉和陸地棉中確定了 1,155和1,884個共表達(dá)功能模塊以及213和135個miRNA靶基因功能模塊,對參與諸如代謝、病原體和脅迫應(yīng)答、激素響應(yīng)和生長發(fā)育等生物學(xué)過程的功能基因進(jìn)行模塊化挖掘。同時,結(jié)合單個棉花物種的模塊化注釋手段和比較基因組學(xué)分析,通過利用96,466對直系同源基因或16,142個同源基因群功能網(wǎng)絡(luò),比較子網(wǎng)絡(luò)的組成、啟動子區(qū)調(diào)控元件、基因表達(dá)譜和同源基因?qū)?從而提高預(yù)測基因功能的可信度和降低復(fù)雜模塊功能預(yù)測的難度。此外,使用實驗室已有的棉花H3K4me3 ChIP-seq表觀基因組數(shù)據(jù)和多種組織的RNA-seq轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),對進(jìn)化過程中基因組結(jié)構(gòu)和基因功能的保守性和差異性進(jìn)行分析和注釋,從而在亞洲棉和陸地棉中預(yù)測出6,773和12,773個新轉(zhuǎn)錄本,并經(jīng)過基因組共線性、ESTs和qRT-PCR的驗證提高了轉(zhuǎn)錄本的可信度。運(yùn)用H3K4me3修飾圖譜結(jié)合共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模塊化分析的方法,試圖解析了棉花生長發(fā)育中組蛋白修飾差異和基因表達(dá)差異間的聯(lián)系。最后,構(gòu)建的二倍體和多倍體棉花共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析平臺ccNET,形成了整合基因組、轉(zhuǎn)錄組和表觀基因組的多層面模塊化比較分析體系,從而提高了棉花功能基因注釋效率和注釋范圍(http://structuralbiology.cau.edu.cn/gossypium/)。另外,基于多組學(xué)整合和模塊化分析手段,成功構(gòu)建了谷子功能基因組數(shù)據(jù)庫SIFGD(http://structuralbiology.cau.edu.cn/SIFGD/)來提高其基因功能注釋率。整合的擬南芥表觀基因組和轉(zhuǎn)錄組的公共數(shù)據(jù)實現(xiàn)了對miRNA基因初始轉(zhuǎn)錄起始位點的預(yù)測,并且通過構(gòu)建PTSmiRNA(http://structuralbiology.cau.edu.cn/PTSmiRNA/)平臺實現(xiàn)了結(jié)果的可視化。本研究采用多組學(xué)整合和模塊化比較分析方法,充分發(fā)揮了多組學(xué)整合分析的互補(bǔ)性和高效性,實現(xiàn)了對棉花的基因組結(jié)構(gòu)和功能基因的精細(xì)注釋,以期對棉花生長發(fā)育和脅迫應(yīng)答的功能模塊研究提供新視角,并為剛剛測序的植物和多倍體植物或作物提供可行的模塊化功能挖掘手段和功能基因組精細(xì)注釋分析方案。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S562;Q943.2

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本文編號：1287951