論文-小麥基因組研究進(jìn)展

1、課程論文（作業(yè)）封面（ 2011 至 2012 學(xué)年度 第 2 學(xué)期）課 程 名 稱：_植物基因組學(xué)_課 程 編 號(hào)：_學(xué) 生 姓 名：_ _學(xué) 號(hào)：_年 級(jí)：_ _ 任 課 教 師: _ _提 交 日 期： 年 月 日成 績(jī)：_教 師 簽 字：_開課-結(jié)課：第 周-第 周評(píng) 閱 日 期： 年 月 日小麥基因組研究進(jìn)展摘要：本文從小麥遺傳圖譜、物理圖譜、比較基因組、基因組測(cè)序和EST 5個(gè)方面，介紹國(guó)內(nèi)外小麥基因組的研究進(jìn)展。目前，小麥7個(gè)部分同源群染色體的全部RFLP圖譜、普通小麥完整的21條染色體的遺傳圖譜以及圓錐小麥、粗山羊草的部分染色體的遺傳連鎖圖均已構(gòu)建；小麥1B染色體和第二、第三、

2、第四、第五、第六、第七群染色體的物理圖譜均已建立；小麥基因組標(biāo)圖和小麥族內(nèi)以及小麥與黑麥、大麥、燕麥、水稻、玉米等作物間的比較標(biāo)圖研究也已取得了突破性進(jìn)展。關(guān)鍵詞：小麥;基因組;遺傳圖譜;物理圖譜;EST;功能基因組;水分利用效率;QTL小麥?zhǔn)鞘澜绲谝淮笞魑铮←湲a(chǎn)量的豐歉在世界糧食安全性方面占有重要地位。隨著小麥遺傳研究的深入發(fā)展，特別是現(xiàn)代分子遺傳技術(shù)的迅速提高，小麥的分子標(biāo)記、基因圖譜、基因克隆、轉(zhuǎn)基因、基因測(cè)序、基因結(jié)構(gòu)和功能等研究都將有長(zhǎng)足的進(jìn)展 ,基因組學(xué)研究已成為當(dāng)代小麥遺傳研究的核心。我們相信，在 21 世紀(jì)，小麥基因組的研究將有大的飛躍。1989 年，由美國(guó)小麥遺傳學(xué)家牽頭成

3、立了國(guó)際小麥族圖譜動(dòng)組織 ( International Triticeae Mapping Initiative , IT2MI)，當(dāng)時(shí)的主要任務(wù)是建立小麥族遺傳圖譜和物理圖譜，該組織今年已經(jīng)由 California 大學(xué)轉(zhuǎn)移到蘇格蘭作物研究所(Scottish crop research institute)，目前主要進(jìn)行的有以下9個(gè)項(xiàng)目：1) 表達(dá)序列標(biāo)簽 (expressed sequence tags ,EST) 文庫(kù)的構(gòu)建和管理 ;2)生物信息學(xué) :提供信息和相應(yīng)的分析工具 ,破譯諸 EST 序列的遺傳信息 ;3)大的插入片段文庫(kù)構(gòu)建(如六倍體小麥的 BAC) ;4)功能分子標(biāo)記(

4、單核苷酸序列 SNP ,簡(jiǎn)單重復(fù)序列 SSR) ;5) 構(gòu)建可覆蓋基因組的重疊連接片段(contiguous) ;6) 連鎖圖譜和QTL(quantitative trait loci) ;7)微陣列(Microarray) 大規(guī)模功能基因表達(dá)鑒定 ;8) 遺傳數(shù)據(jù)庫(kù)和基因符號(hào)(Genetic stocks and gene symbols) ;9)發(fā)展領(lǐng)域(如誘變基因組 ,反求遺傳學(xué))?，F(xiàn)將國(guó)內(nèi)外小麥基因組的研究進(jìn)展綜述如下，以期為我國(guó)小麥基因組研究提供有用信息。1 小麥的遺傳連鎖圖普通小麥的起源是由AA、BB和DD三組染色體組成的，部分同源染色體和它的多倍性給遺傳研究帶來(lái)了問題，同時(shí)也帶來(lái)

5、了特殊的機(jī)遇。普通小麥單倍體基因組的DNA含量(指C值)約為 1. 6 × 1010bp，大約是玉米DNA含量(2n= 20 ,C = 3 × 109bp)的6倍，是水稻(2n= 24 ,C = 4 × 108bp)的40倍。小麥染色體的平均長(zhǎng)度為11. 2m(總長(zhǎng)為235.4m)，平均每條染色體的 DNA 含量約為水稻單倍體DN含量的2倍。普通小麥基因組中約80 %的DNA 是由高度重復(fù)序列組成的。普通小麥的基因組大，異源多倍性和種內(nèi)酶切位點(diǎn)與片段長(zhǎng)度多態(tài)性少，這使普通小麥中構(gòu)建高密度的RFLP、SSR等DNA分子標(biāo)記圖譜成為相當(dāng)艱巨的任務(wù)。于是有人提出了利用已

6、經(jīng)確定的普通小麥二倍體親緣種去構(gòu)建普通小麥高飽和基因組圖譜的策略。這一工作已在普通小麥的 D 和 A 組供體中粗山羊草和一粒小麥中進(jìn)行。在普通小麥的所有供體中，以粗山羊草與普通小麥的D組染色體最為相似，其染色體間配對(duì)最好，而且兩個(gè)物種間的基因線性關(guān)系也最保守。小麥族75 %以上的DNA探針在兩種粗山羊草中能檢測(cè)到多態(tài)性。已構(gòu)建的粗山羊草遺傳連鎖圖中已有330個(gè)標(biāo)記已被定位，平均每條染色體上約有47個(gè)標(biāo)記。這些探針的序列和相對(duì)位置在粗山羊草與普通小麥的D 組，以及A、B組之間都有很大的保守性。Boyko 等(1999)利用RFLP和AFLP分子標(biāo)記構(gòu)建了粗山羊草的高密度的遺傳連鎖圖譜，總共有54

7、6個(gè)位點(diǎn)，69個(gè)探針(13 %)在基因組上有多拷貝。粗山羊草的遺傳圖譜和普通小麥的物理圖譜相比較，有123個(gè)標(biāo)記是共線性的。粗山羊草的3DS與相對(duì)應(yīng)的普通小麥3D染色體上有5個(gè)分子標(biāo)記的排列順序是有差異的，可能是由于倒位(inversion)引起的，另外發(fā)現(xiàn)在粗山羊草和普通小麥4D、5D 和7D 染色體上的分子標(biāo)記順序也有差異；164個(gè)重要農(nóng)藝性狀基因在粗山羊草和普通小麥中得到了定位。在已構(gòu)建的小麥遺傳圖譜上，有三個(gè)明顯的特征；第一，部分同源群探針檢測(cè)的基因序列在小麥三個(gè)基因組中是相同的，其例外僅出現(xiàn)于涉及易位較多的4AL、5AL和7BS染色體臂，這表明A、B、D三個(gè)基因組的供體物種在進(jìn)化上無(wú)

8、明顯的染色體重排。在遺傳圖譜上，50 %以上的標(biāo)記位點(diǎn)成簇分布在著絲粒附近，擴(kuò)展的遺傳距離低于30cM。著絲粒區(qū)域標(biāo)記的成簇分布反映了在染色體的近著絲粒區(qū)域較少出現(xiàn)重組，而在染色體遠(yuǎn)端區(qū)域則重組頻率較高。因此，遺傳圖譜的標(biāo)記位點(diǎn)與它們?cè)谌旧w上的實(shí)際物理位置很可能不一致。第二，在近著絲粒區(qū)域的基因序列是高度保守的，成簇分布在著絲粒附近的標(biāo)記大都屬部分同源群?；稽c(diǎn)，而聚集在遠(yuǎn)側(cè)區(qū)的較少的分子標(biāo)記則大部分為非部分同源群?；稽c(diǎn)。第三，在染色體4AL、5AL和7BS上檢測(cè)的大片段相互易位，可能為多年來(lái)被認(rèn)為是某些怪異遺傳現(xiàn)象提供解釋?，F(xiàn)已研究表明在2BS和6BS之間，有較大片段的相互易位，這些易位

9、發(fā)生在二倍體祖先種中，在4AL、5AL和7BS染色體臂染色體重排可能在四倍體水平上引起了變化。2 小麥的物理圖譜和細(xì)胞遺傳階梯圖分子遺傳學(xué)方法包括用大的基因組文庫(kù)構(gòu)建重疊群和用稀有酶構(gòu)建大范圍限制性酶切圖譜。這一方法對(duì)基因組內(nèi)小范圍的精細(xì)結(jié)構(gòu)的標(biāo)圖是有用的，但不適合整個(gè)小麥基因組的物理標(biāo)圖。目前看來(lái)，用缺失標(biāo)圖去構(gòu)建整個(gè)基因組物理圖譜已成為可行性最高的一種選擇。來(lái)自柱穗山羊草( Ae. cylindricum)的殺配子染色體，以單體形式存在于小麥背景時(shí)，能夠引起不攜帶這條染色體的配子中小麥染色體的斷裂，并由此產(chǎn)生染色體的缺失。由殺配子染色體以前的缺失往往屬頂端缺失，其染色體斷裂末端在被端粒序列

10、封口后，可使缺失系列在遺傳上變得相當(dāng)穩(wěn)定。除極少數(shù)染色體區(qū)段外，缺失斷裂點(diǎn)隨機(jī)分布于各染色體上?，F(xiàn)已制備出涵蓋小麥21條染色體兩臂各區(qū)段的436個(gè)缺失系。缺失系圖標(biāo)主要依據(jù)整倍體與缺失系的圖譜比較，根據(jù)特定RFLP譜帶在缺失系上的缺失，就可確定出該分子標(biāo)記位于相應(yīng)的染色體缺失區(qū)段，從而將各RFLP標(biāo)記定位在特定染色體的缺失間隔區(qū)。利用已獲得的涉及小麥21條染色體的不同缺失系，現(xiàn)已構(gòu)建成了小麥1B染色體和第二、三、四、五、六和七同源群染色體的物理圖譜，并確定了Ph1基因在5B染色體上的物理距離。除1A和1D染色體外，平均每條染色體分布有1015個(gè)標(biāo)記。許多以往因缺少多態(tài)性而未能標(biāo)定到小麥遺傳圖上

11、的探針也被用此法標(biāo)定到物理圖譜上。Justin等2000年在5B長(zhǎng)臂上的基因富集高重組區(qū)建立了一個(gè)飽和物理圖譜，這個(gè)區(qū)段占5B長(zhǎng)臂上4 %的物理距離，占整個(gè)染色體30 %的重組，多重交叉發(fā)生在這一熱點(diǎn)區(qū)段(Hot spot region)，重組率是整個(gè)染色體平均的11倍。這個(gè)區(qū)段上的基因序列和重組頻率在整個(gè)小麥族的進(jìn)化中表現(xiàn)保守。3 小麥和其它作物的基因圖譜比較小麥三個(gè)基因組有很高的基因和序列相似性的發(fā)現(xiàn)，是草本植物基因組共線性(colinearity)的第一個(gè)例證和小麥比較基因組研究中的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。小麥7個(gè)部分同源群染色體的全部RFLP圖譜已經(jīng)構(gòu)建。另外普通小麥完整的21條染色體的遺傳圖譜

12、也已構(gòu)建，圓錐小麥6A和6B染色體、一粒小麥4Am和5AmL染色體遺傳圖譜也已發(fā)表。通過對(duì)小麥、 大麥、燕麥、粗山羊草、黑麥等的遺傳圖譜構(gòu)建比較分析，結(jié)果表明基因組的共線性是高度保守的，僅僅被較大的染色體易位所干擾。令人感興趣的是，有些染色體重排在有很大差異的不同基因組之間可以觀察到，在系統(tǒng)發(fā)育遺傳距離很遠(yuǎn)和進(jìn)化時(shí)間差距很大的一些物種中也曾出現(xiàn)。例如，大麥和粗山羊草有很高的基因組共線性，僅是由兩個(gè)染色體倒位(inversions) 中導(dǎo)致的不同，但是在小傘山羊草(Ae. umbelluata)和粗山羊草( Ae. tauschii)的基因組比較中至少有 11 個(gè)染色體重排21,然而系統(tǒng)發(fā)育研究

13、的資料表明，小傘山羊草和粗山羊草的關(guān)系比大麥更近。其他小麥族的基因組比較研究表明，在黑麥、高大山羊草( Ae. Longissi2ma) 、斯卑爾脫山羊草中相對(duì)更容易固定染色體重排，這種由染色體重排導(dǎo)致的不同種間的遺傳差異在相關(guān)的育種體系中沒有發(fā)現(xiàn)，高水平的演變易位(evoulation translocations)主要出現(xiàn)在黑麥和小傘山羊草，一種自花授粉物種的遠(yuǎn)緣雜交后代(Outbreeder)中。4 小麥基因組測(cè)序?qū)τ诰哂写蟮幕蚪M如小麥族等禾本科植物等來(lái)說，利用圖位克隆的方法進(jìn)行基因分離被認(rèn)為是不可能的。因?yàn)樾←満痛篼湹幕蚪M是由80 %的高度重復(fù)DNA序列組成的，構(gòu)建和分析大的插入片

14、段文庫(kù)(large insert libraries)會(huì)遇到困難，YAC庫(kù)中常含有不穩(wěn)定的重復(fù)序列 ，分離單拷貝末端和亞克隆 (subclones) 用于染色體步查 (chromosome walk2ing)是不適宜的。隨著比較基因組學(xué)的研究進(jìn)展，人們認(rèn)識(shí)到在草本植物中基因序列是高度保守的，水稻這個(gè)小的基因組將成為跨基因組(cross - genome) 基因分離的工具。然而有一點(diǎn)很清楚，雖然有些基因組的共線性關(guān)系是有很高的保守性，但基因序列的保守程度可能在不同的區(qū)段是有變化的，是不可能完全相對(duì)應(yīng)的。目前在大的插入片段文庫(kù)構(gòu)建方面有了較大的進(jìn)展，特別是利用細(xì)菌構(gòu)建的BAC載體方法的發(fā)展，它可以

15、代替YAC，并能增強(qiáng)在構(gòu)建和維護(hù)穩(wěn)定的小麥整個(gè)基因組文庫(kù)的自動(dòng)化操作能力。目前在小麥族的幾種物種中，包括一粒小麥( T. monococcum)，粗山羊草( Ae. tauschii)，大麥。大麥的YAC文庫(kù)已經(jīng)獲得，六倍體小麥的文庫(kù)已經(jīng)利用轉(zhuǎn)化人工染色體(transformation - competent artificial chromosome ,TAC) 載體。對(duì)于具有大的基因組的植物來(lái)講 ,其基因組測(cè)序的資料獲得是非常有限的。已有的小麥和大麥基因組研究表明，基因是成簇分布在基因組上的。如果這些基因島(gene is2lands)能被標(biāo)定則可直接進(jìn)行基因克隆。目前進(jìn)行基因分離的途徑是

16、在大約100010000個(gè)群體中確定和目的基因緊密連鎖的標(biāo)記。利用和目的基因緊密連鎖的標(biāo)記去鑒定BAC或YAC克隆再進(jìn)一步逼近目的基因。如果在某一區(qū)段上每20kb就有一個(gè)基因，那么就得用有幾百個(gè)kb長(zhǎng)度的BAC跨疊群來(lái)連接標(biāo)記。5 小麥 EST表達(dá)序列標(biāo)簽(expressed sequence tags ,EST) 是用來(lái)作為蛋白合成和最終決定形態(tài)性狀、組織器官特征的基因模板的產(chǎn)物。得到的序列可以作為表達(dá)的基因所在區(qū)域的分子標(biāo)記，劃分不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期不同組織中基因的表達(dá)輪廓；與已發(fā)表的基因序列進(jìn)行比較，可推斷新基因產(chǎn)物的功能，可以加快分子連鎖和物理圖譜的構(gòu)建，也是功能基因組研究的一個(gè)重要方向。

17、1998年8月在Saskatchewan大學(xué)舉行的第九屆國(guó)際小麥遺傳大會(huì)，以美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)家為首牽頭成立小麥EST研究國(guó)際合作組織，提出了建立小麥族EST公共數(shù)據(jù)庫(kù)的行動(dòng)計(jì)劃，成立了國(guó)際小麥族表達(dá)序列標(biāo)簽聯(lián)盟(inter2national Triticeae EST consortium , ITEC)，長(zhǎng)期的目標(biāo)是確定和破譯小麥基因組所有基因的在染色體上的定位和功能。目前在根、莖、葉、小穗、胚、盾片、幼苗和種皮等不同組織器官中，開展了小麥抗病性、抗逆性等重要農(nóng)藝性狀的EST測(cè)序。到2000年11月，第一階段已有超過46776 EST序列被鑒定出來(lái)，第二階段將分別在小麥和大麥中得到各3

18、00 ,000EST。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院品種資源研究所農(nóng)業(yè)部作物種質(zhì)資源生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任賈繼增研究員的研究小組參加了這一國(guó)際小麥基因組研究組織 ,主要進(jìn)行小麥抗白粉病的EST研究，提供了1052多個(gè)ESTs序列，使我國(guó)在小麥基因組研究中占有一席之地。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外小麥基因組研究進(jìn)展的分析和我們?cè)诖搜芯糠矫娴捏w會(huì)，我們認(rèn)為在小麥遺傳連鎖圖譜構(gòu)建方面，特別是 QTL 研究方面，不應(yīng)再有很大的投資。因?yàn)橛捎跀?shù)量遺傳分析方法的不同和分析軟件的局限性，特別是不同實(shí)驗(yàn)條件下的QTL分析結(jié)果也有差異。最關(guān)鍵的是由于分子標(biāo)記類型的不同，連鎖遺傳圖譜的精細(xì)和飽和程度也有不同，直接決定性狀的基因定位(QTL)結(jié)果的差異。國(guó)外從小麥二倍體 (AA ,DD) 四倍體 (AABB) 六倍體(AABBDD)，小麥遺傳連鎖圖譜在整個(gè)染色體組水平上已有8組(2000年以前)。另外通過小麥族的遺傳圖譜及遠(yuǎn)緣植物的比較基因組研究，基因序列的共線性還是相對(duì)保守的，明顯的差異在染色體位點(diǎn)上也大致確定。利用同一遺傳群體的不同分子標(biāo)記的連鎖遺傳圖譜，進(jìn)行不同性狀的QTL分析，研究比較