發(fā)布時間：2018-05-01 16:01

  本文選題：甘藍型油菜 + 3D基因組��； 參考：《華中農(nóng)業(yè)大學》2016年博士論文

【摘要】：三維(three dimensional,3D)基因組學是在傳統(tǒng)的一維線性序列的基礎上研究染色質(zhì)三維空間結(jié)構的一門學科。染色質(zhì)構象捕獲技術(chromatin conformation capture,3C)及其衍生技術用于測定特定的點到點之間的染色質(zhì)交互作用,是3D基因組領域近年來發(fā)展起來的一類技術。隨著染色質(zhì)構象捕獲技術的迅速發(fā)展,3D基因組學不僅被運用于基因表達、轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機制研究,還被用于基因組組裝(傳統(tǒng)基因組組裝、單倍型組裝、宏基因組組裝等)的研究當中。目前,3D基因組學的研究主要集中在小鼠、果蠅、酵母等模式生物和人類中,并取得了一系列豐碩的成果,但其在植物中鮮有報道,僅在模式物種擬南芥中有部分研究。而油菜是我國第一大油料作物,在食用油生產(chǎn)中占有重要地位。近期,國際上完成了甘藍型油菜基因組的測序和草圖的繪制工作,這是首次對傳統(tǒng)的多倍體作物復雜的基因組進行的完整測序和組裝,并且為多倍體植物三維基因組學的研究提供了數(shù)據(jù)資源。為了研究三維基因組在多倍體物種中的應用,本文從如下幾個方面開展了工作:首先,本研究選取甘藍型油菜品種中雙11號(ZS11)作為實驗對象,采用高通量染色質(zhì)構象捕獲技術(high-throughput chromosome conformation capture,Hi-C),通過甲醛交聯(lián)、酶切、末端補齊及生物素標記、連接、DNA純化、超聲打斷及生物素富集等步驟,完成了甘藍型油菜染色質(zhì)交互文庫的構建。實驗共獲得了約110 Gb油菜基因組染色質(zhì)交互的原始測序數(shù)據(jù),通過質(zhì)量控制、過濾及重復性檢驗等生物信息處理步驟,結(jié)果顯示數(shù)據(jù)質(zhì)量各項指標(比對率,無效連接及可重復性等)均符合預期結(jié)果,表明了Hi-C技術在傳統(tǒng)多倍體植物中的可操作性�；�于上述染色質(zhì)交互數(shù)據(jù),本研究構建了甘藍型油菜中高質(zhì)量高分辨率的全基因組交互矩陣,用于后續(xù)油菜基因組組裝完善和三維基因組學轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能研究。然后,為了檢驗基于染色質(zhì)交互在多倍體植物組裝中的可行性,首先利用上述染色質(zhì)交互數(shù)據(jù)將未掛載到甘藍型油菜染色體上的scaffolds進行錨位并進行方向的確定,從而提高甘藍型因組參考序列的完整性。組裝后有91.05 Mb scaffolds能被分配到相應的染色體上,并且111.70 Mb scaffolds能成功確定其在染色體上的位置和方向(現(xiàn)有草圖中染色體號未知的scaffolds和沒有確定具體位置方向的scaffolds分別為135.94 Mb,202.91 Mb),染色體號未知的scaffolds和沒有確定具體位置方向的scaffolds分別從全基因組長度的16.03%和23.92%下降到5.29%和10.75%。通過預測已組裝的scaffolds,顯示該方法的預測甘藍型油菜scaffolds的染色體號、位置和方向的正確率分別為98.85%、90.15%和90.39%。甘藍型油菜基因組的完善對后續(xù)優(yōu)良品種的選育和品質(zhì)的改良具有重要的理論和實踐意義。另外,本研究的開展不僅檢驗了基于染色質(zhì)三維結(jié)構的組裝方法在多倍體植物基因組輔助組裝的可行性和有效性,而且為復雜植物基因組組裝提供了新的思路。最后,本研究利用甘藍型油菜的交互數(shù)據(jù)研究了其蛋白-蛋白相互作用(protein-protein interactions,PPIs)基因在染色質(zhì)3D結(jié)構上的特征。通過基于直系同源的方法,本研究鑒定了甘藍型油菜中163,475個PPIs,將PPIs基因?qū)εc隨機基因?qū)�進行比較。結(jié)果顯示蛋白-蛋白互作基因?qū)Φ南嗷プ饔玫目赡苄院徒换ヮl率都顯著大于隨機選取的基因?qū)�。上述結(jié)果表明形成PPIs的基因在空間上更容易形成共定位,在空間上靠的更近,同時還說明了在空間上距離較近的基因之間更利于形成蛋白-蛋白相互作用。結(jié)果暗示了植物基因組中染色質(zhì)3D的組織和PPIs的形成可能存在一定聯(lián)系,為解析甘藍型油菜基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制提供了新的線索。
[Abstract]:Three dimensional (3D) genomics is a subject of study on the three-dimensional spatial structure of chromatin based on the traditional one-dimensional linear sequence. The chromatin conformation capture (chromatin conformation capture, 3C) and its derivatization technique are used to determine the interaction of chromatin between specific points and points, which is the near field of the 3D genome. With the rapid development of chromatin conformation capture technology, 3D genomics has been used not only in gene expression, in the study of transcriptional regulation, but also in the study of genome assembly (traditional genome assembly, haplotype assembly, macrogenome assembly, etc.). At present, research on 3D genomics is the main collection. A series of fruitful results have been achieved in mice, Drosophila, yeast and other models, but there are few reports in plants, only part of the study of Arabidopsis in the pattern species. And rape is the first major oil crop in China, and occupies an important position in the production of edible oil. Sequencing and drawing, this is the first complete sequencing and assembly of the complex genome of a traditional polyploid crop, and provides a data resource for the study of the three dimensional genomics of polyploid plants. In order to study the use of the three dimensional genome in polyploid species, this paper works from the following aspects: First, we selected ZS11 (ZS11) in Brassica napus (Brassica napus) as the experimental object, using high throughput chromatin conformation capture (high-throughput chromosome conformation capture, Hi-C), through the crosslinking of formaldehyde, enzyme cutting, end filling and biotin labeling, connection, DNA purification, ultrasonic interruption and biotin enrichment, etc. The construction of the chromatin interactive Library of rapeseed was constructed. The original sequencing data of the chromatin interaction of some 110 Gb rapeseed genome were obtained. The results showed that the data quality indexes (ratio, non effective connection and repeatability, etc.) were all conformed to the expected results. The maneuverability of Hi-C technology in the traditional polyploid plants. Based on the above-mentioned chromatin interaction data, a high quality and high resolution whole genome interaction matrix in Brassica napus was constructed, which was used for the completion of the subsequent rape genome assembly and the study of the three dimensional genomics transcriptional control power. The feasibility of interacting with the polyploid plants is first used to anchorage and determine the direction of scaffolds, which is not mounted on the chromosome of Brassica napus, in order to improve the integrity of the reference sequence of the Brassica napus group. After assembly, 91.05 Mb scaffolds can be assigned to the corresponding chromosomes, and 1 11.70 Mb scaffolds can successfully determine its location and direction on the chromosome (the unknown scaffolds of the chromosome number in the present sketch, and the scaffolds that does not determine the specific location of the scaffolds, respectively, 202.91 Mb), the unknown scaffolds of the chromosome number, and the scaffolds that do not determine the specific location of the scaffolds from the total genome length of 16, respectively. 3% and 23.92% decreased to 5.29% and 10.75%. by predicting the assembled scaffolds. The method showed that the correct rate of chromosome number, location and direction of Brassica napus scaffolds was 98.85%, 90.15% and 90.39%. of Brassica napus, respectively, had important theory and improvement on the selection and quality improvement of subsequent fine varieties. In addition, the development of this study not only examined the feasibility and effectiveness of the assembly method based on the three-dimensional structure of chromatin in the genome assisted assembly of polyploid plants, but also provided new ideas for the assembly of complex plants. Finally, the protein protein phase was studied by the interaction data of Brassica napus. The characteristics of protein-protein interactions (PPIs) gene in the structure of chromatin 3D. Through the direct homologous method, this study identified 163475 PPIs in Brassica napus and compared the PPIs gene to the random gene pair. The results showed the possibility and frequency of interaction between protein protein interaction gene pairs. Both were significantly greater than the random selection of gene pairs. The results showed that the gene forming PPIs was more likely to form co loci in space, closer in space, and also indicated that protein protein interaction was more conducive to the formation of protein protein interaction in space, which suggested the tissue and PPIs of the chromatin 3D in the plant genome. It may provide some new clues for analyzing the transcriptional regulation mechanism of Brassica napus.

【學位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S565.4

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本文編號：1830062