菜豆等三种豆科植物LTR-反转座子全基因组注释及进化分析

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采豆(Phaseolus vulgaris)、小豆(Vigna angularis)和绿豆(Vigna radiata)同属豆科植物,具有较高的营养价值,是我国重要的经济作物。作为植物基因组的主要组成部分,LTR-反转座子在基因和基因组的进化过程中扮演着重要角色。本研究从基因组水平上系统注释了三种豆科植物的LTR-反转座子,初步明确了这些LTR-反转座子的数量、类型、分类、分布、亲缘关系以及与功能基因之间的相互关系,为后续进一步开展三种豆科植物功能基因的研究,活性转座子的鉴定,分子标记的开发和分子育种相关工作提供更好的便利。主要结果分述如下:1.三种豆科植物LTR-反转座子的注释和分析基于结构从头寻找和同源比对的方法,我们从菜豆基因组中鉴定出9584个插入位置明确的LTR-反转座子元件,包括3231个完整转座子元件和6353个solo LTR。这些元件可划分为183个家族,其中113个家族属于Gypsy超家族,68个家族属于Copia超家族。从小豆基因组中鉴定出5311个插入位置明确的LTR-反转座子元件,包括2618个完整转座子元件和2693个solo LTR,这些元件可划分为478个家族,其中307个家族属于Gypsy超家族,167个家族属于Copia超家族。从绿豆基因组中鉴定出4809个插入位置明确的LTR-反转座子元件,包括1843个完整转座子元件和2966个solo LTR,这些元件可划分为361个家族,其中231个家族属于Gypsy超家族,126个家族属于Copia超家族。三种豆科植物绝大多数元件都是在最近5百万年插入到基因组中的(菜豆:98.0%;小豆:96.3%;绿豆:94.2%),然而这些元件的转座活性在同一时期内具有很大的不同。每个家族的S/I(solo LTR元件数量/完整元件数量)与进化时间无关,而与LTR的长度呈现显著的正相关关系。三种豆科植物的LTR-反转座子都不均匀的分布在各条染色体上,并和功能基因的分布呈现显著的负相关关系。菜豆Pvr3、小豆Vanr2和绿豆Vrar2家族之间具有较高的保守性,约90%的元件内部不含任何编码序列,元件长度一般在约380 bp,在染色体上的分布随机,并有大量的元件插入在基因区域中,这些特点符合典型TRIMs家族的特征。2.三种豆科植物LTR-反转座子系统发育进化树分析三种豆科植物基因组中都存在6种Copia谱系,即Angela、Ale、Bianca、Ivana、Maximus和TAR。而在Gypsy谱系方面,三种豆科植物均没有发现Galadriel谱系的存在,在菜豆和小豆基因组中存在着五种谱系,即Tekay、CRM、Reina、Athila和Tat,在绿豆基因组中只存在其中的四种,缺失了 Tekay谱系。此外,不同植物各谱系内所包含的家族数和元件数有很大差异,在小豆和绿豆中拥有最多家族数量和元件数量的分别是Ivana谱系和Ale谱系,而在菜豆中拥有最多家族数量和元件数量的分别是Ale谱系和Maximus谱系3.三种豆科植物LTR-反转座子与功能基因的关系菜豆中有1504个LTR-反转座子元件插入在基因区域(基因内部和邻近<2 kb范围内),分布在基因邻近<2 kb范围内的元件数量最多;小豆和绿豆中分别有1736个和1486个元件插入在基因区域,并且两者在内含子区域分布的元件数量都最多。对这些基因的功能富集分析显示,三种豆科植物具有相似的富集特征,在细胞组分(cellular component)方面注释主要集中在细胞,细胞组分及细胞器;在分子功能(molecular function)方面注释主要集中在催化活动及结合;在生物进程(biological process)方面注释主要集中在细胞进程和代谢进程。
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