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微囊藻基因组进化策略研究与DNA甲基化修饰介导的表观调控分析
赵亮
Subtype博士
Thesis Advisor宋立荣
2018
Degree Grantor中国科学院水生生物研究所
Place of Conferral武汉
Abstract

微囊藻水华是淡水生态系统中最常见的蓝藻水华种类,也是我国淡水水体中最普遍、发生频率最高的蓝藻水华 。近年来,随着全球气候变化及人类活动的加剧,微囊藻水华有害微囊藻水华暴发频次与强度都呈现增长趋势。微囊藻水华的暴发,会产生大量有害的次级代谢产物,持续威胁着水生态系统与公共安全。虽然微囊藻属被研究最多的水华蓝藻种类,也有研究发现其具有极强的环境适应性与表型多样性,如两株同种的微囊藻可能有差异非常显著次级代谢产物表达谱与无机碳亲合力等,但关于该藻株的全球性分布的分子机制,目前尚不清晰。比较基因组学发现,微囊藻属的基因组高度开放、具有极强的可塑性,不同藻株基因组无论在基因组成、数目与排列等都有较大差异;每株微囊藻均包含有数百至上千个藻株特有基因,而核心基因数目仅为2100个左右,少于各藻株基因数目的1/2。该结果能部分解释微囊藻不同藻株间的表型多样性,但上述研究并未阐述微囊藻基因组演化的策略,以及对应的演化策略的生态学意义及对微囊藻全球性分布的贡献。基于微囊藻基因组发展较缓慢,多数微囊藻基因组高度片段化等现状,本论文利用全新的三代测序—单分子实时(Single Molecule Real-Time, SMRT)测序技术,获得了铜绿微囊藻模式株PCC 7806SL的全基因组序列;结合近几年发表的全部微囊藻基因组数据进行了微囊藻属基因组进化策略分析;同时,依托SMRT可检测基因组甲基化修饰的特性,在微囊藻属展开了甲基化修饰语甲基转移酶系统的调查,并整合SMRT与转录组测序,分析了甲基化修饰介导的表观遗传调控在微囊藻胁迫应答过程中的作用。主要研究内容与结果如下:(1)利用SMRT测序技术,获得了铜绿微囊藻PCC 7806SL的完整基因组序列,并结合最新的生物信息学软件,结合转录组数据,对这一藻株的基因组注释进行了验证与优化,获得了PCC 7806SL藻株迄今最全面精细的编码信息,为其他多组学研究通过数据支持;(2)对PCC 7806同PCC 7806SL基因组进行序列比对分析,同时对微囊藻NIES-843进行重测序分析,确定了微囊藻基因组结构的稳定性特征;之后结合,确定微囊藻基因组在长期稳定的实验室培养过程中,以及短期的氮缺乏胁迫实验中能保持非常良好的基因组结构与序列稳定性。(3)收集数据库中所有微囊藻基因组序列,构建基因组系统发育树,根据分析结合六株高质量组装微囊藻基因组的验证,提出微囊藻基因组进化策略为基因组简化,即微囊藻的进化方向是从大基因组藻株向小基因组藻株发展,这一过程伴随着非核心基因(如插入序列、次级代谢产物合成基因簇等)的丢失与基因组重排。此外,鉴定获得一个具有基因组特征的藻株类群(clade),表现为不产微囊藻毒素、较具较小的基因组大小(<4.57 Mb)、低含量的基因组重复序列等;进一步分析发现这一类群与惠氏微囊藻存在紧密的联系。(4)对经SMRT测序获得的三株微囊藻甲基化组进行比较分析,鉴定获得18个全新的甲基化修饰位点,且藻株间甲基化修饰模式差异巨大,鉴定到的35个位点中,仅6个被三株微囊藻共享;对五株微囊藻进行限制-修饰系统挖掘与比较,确定微囊藻之间甲基转移酶系统差异巨大,鉴定到的63个甲基转移酶家族中,仅有20个为所有五株藻共享;将微囊藻属与REBASE数据库比对,确定微囊藻属拥有数目巨大的修饰位点与甲基转移酶数目,其中微囊藻NIES-843拥有迄今为止数目最高的甲基转移酶;对微囊藻属甲基转移酶序列,以及微囊藻属与其他细菌进行比对分析,确定水平基因转移在微囊藻庞大的限制-修饰系统的形成中发挥巨大作用。(5)为明确微囊藻甲基化酶系统在微囊藻胁迫应答调控中的作用,本论文结合SMRT测序与RNA-seq基因组测序,分析了在三种不同氮源缺乏与磷胁迫下微囊藻PCC 7806SL多组学的响应模式。结果显示,三种氮缺乏处理中均有大量基因出现差异表达,但相关基因差异不大,即转录水平响应模式与氮源类型关系不大。对胁迫条件下的甲基化组响应进行调查发现,在氮缺乏胁迫下,尽管出现大量甲基化酶出现表达量上升,但微囊藻全基因组甲基化水平差异不大,表明在上述条件下,甲基转移酶并非通过全局调控行使功能。进一步观察调控区域各位点甲基化修饰模式与对应基因表达量变化的相关性,确定了一部分基因,其表达受DNA甲基化修饰介导的表观遗传方式调控。以上研究明确了微囊藻基因组进化策略,发现了微囊藻基因组极高的甲基化修饰水平与庞大的甲基转移酶系统并结合实验验证了甲基化修饰介导的表观遗传调控在微囊藻中存在。本文将为微囊藻全球性分布于环境适应性分子机制的解释提供数据支持。

Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/39073
Collection学位论文
Recommended Citation
GB/T 7714
赵亮. 微囊藻基因组进化策略研究与DNA甲基化修饰介导的表观调控分析[D]. 武汉. 中国科学院水生生物研究所,2018.
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