肋果沙棘和西藏沙棘自然杂交的转录组学研究

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随着高通量转录组测序技术的不断发展,RNA-seq技术已经成为基因表达研究以及转录组分析等领域重要的研究手段,该技术在植物研究中有广泛的应用。自然杂交在植物物种进化和物种形成中起着极其重要的作用,是系统与进化生物学研究的热点。一般主要通过形态学观察和细胞核基因以及细胞质基因系统发育等分子生物学的方法对自然杂交种进行鉴定,近年来越来越多的研究者选择利用转录组学的方法研究物种形成和进化。沙棘属(Hippophae L.)主要分布在青藏高原及其边缘高海拔地区,具有重要的生态和经济价值。研究表明,该属植物物种之间经常发生自然杂交。实验室在野外调查中发现,肋果沙棘(Hippophae neurocarpa S.W.Liu et T.N.He)和西藏沙棘(Hippophae thibetana Schlechtend.)之间可能存在杂交事件,因此本研究以肋果沙棘、西藏沙棘和疑似的杂交后代(H.neurocarpa×H.thibetana)为实验对象,通过第二代转录组测序的Illumina Hi Seq测序平台和第三代Pacific Biosciences RS测序平台,利用转录组学的方法研究了肋果沙棘与西藏沙棘之间的自然杂交及杂交后代的遗传组成,为沙棘属植物杂交和物种形成研究提供证据。主要结果如下:(1)经过总RNA提取、cDNA文库构建、Illumina Hi Seq高通量测序、过滤低质量数据以及转录本拼接,获得大量的转录组数据。Unigenes的长度分布在200bp-500bp区间内数量最多,N50值在512bp-870bp之间,对Unigene在NR、NT、PFAM、Swiss Prot、GO、KOG、KO七大数据库中进行了功能注释。疑似杂交后代第三代转录组测序转录本长度在1k-2kbp区间内基因数量最多,序列平均长度为2 212bp,N50值为2 518bp,远大于第二代测序的N50值,说明第三代转录组测序在序列读长方面有很大的优势。此外利用Sanger法测序技术验证了第二代和第三代转录组测序结果的准确性,结果表明第二代和第三代转录组测序的准确率高,得到的数据可供后期使用。(2)利用Ortho Finder软件筛选到单拷贝的直系同源基因共5 182个,其中147个具有正选择作用,这些基因在两亲本肋果沙棘、西藏沙棘以及杂交后代的进化过程中具有重要作用。(3)通过对大量的直系同源基因序列比对分析,发现达日地区的疑似杂交后代在两亲本差异核苷酸位点上表现出叠加性;利用直系同源基因构建的系统发育树中,肋果沙棘聚为一个分支,西藏沙棘聚为一个分支,而疑似杂交后代以不同形式分别聚到肋果沙棘和西藏沙棘的分支,呈现了杂交后代的系统发育关系特征,在转录组学的层面上证明了肋果沙棘和西藏沙棘之间存在自然杂交。(4)转录组序列分析结果表明,青海大浪村野外调查中发现的具有两亲本中间形态特征的疑似杂交后代在基因序列上不具有肋果沙棘和西藏沙棘序列的叠加性,而与西藏沙棘的基因序列相似;基于直系同源基因构建的系统发育树上与西藏沙棘聚为一支,证明其不是肋果沙棘和西藏沙棘的杂交后代,应该为西藏沙棘。(5)达日地区杂交后代中存在基因片段和基因位点向亲本肋果沙棘和(或)西藏沙棘的基因转换,说明肋果沙棘和西藏沙棘通过自然杂交形成的杂交后代不是F1代,而是经历了以减数分裂为基础的有性生殖阶段。
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