3种木犀属植物叶绿体基因组比较研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

叶绿体为质体的一种,广泛存在于陆生植物、藻类和原生生物,是绿色植物进

行光合作用的场所,是细胞内十分重要的细胞器。在光合作用及脂肪酸、淀粉、氨基酸和色素类物质的生物合成过程中都具有十分重要的作用,为生物进化提供了源动力(Asaf et al 2017a)。由于光合作用发生在叶绿体中,被视为推测早期生物进化的能量源头,正因为如此,叶绿体一直备受研究者关注。叶绿体具有一套独立的、完整的基因组,主要编码与光合作用相关的蛋白和一些核糖体蛋白。通过研究叶绿体基因组,可以揭示植物光合作用的机理及代谢调控途径。虽然叶绿体存在属于自己的一套遗传物质,但是其中很多具有功能的蛋白质由细胞核基因编码供给,因此,对叶绿体基因组的研究有助于理解叶绿体基因组与核基因组之间的相互调节作用(Yao et al 2015)。随着分子生物学,特别是高通量测序技术的不断发展,对叶绿体基因组的研究变得更加便利,叶绿体基因组在系统发育、植物分类、物种鉴定以及品种改良等方面发挥着显著的作用(邢少辰和 Liu J H 2008)。

将不同物种叶绿体基因组全序列进行比较分析以及对四个区域边界的差异分析,有助于了解叶绿体基因组序列差异,理解物种之间的进化过程,叶绿体基因组序列因具有较强的保守性和较低的碱基替换率等特点,使其成为系统发育研究较为理想的数据。对于木犀科而言,研究其物种之间的相关性也是为以后更深入,更重要的研究打下基础,同时挖掘其价值,使其发挥更大的作用。

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2. 国内外研究现状分析

近年来叶绿体基因组结构和序列信息被广泛应用于揭示物种起源、进化演变及不同物种之间的亲缘关系和同一物种不同居群间的分化等方面。主要原因如下: 首先,植物基因组因其结构和功能上的差异,进化速率也有所不同。总的来说,核基因组进化最快,约为叶绿体基因组的2 倍; 线粒体基因组进化最慢,还不到叶绿体基因组的 1 /3; 其次,cpDNA 为单性遗传,有独立的进化路线,不依赖于其它任何数据即可构建分子系统树,可为从历史和系统发育的角度解释生物多样性提供可靠和准确的信息。第三,叶绿体基因序列编码区和非编码区序列进化速率相差较大,可适于不同分类阶元的系统发育研究。Jansen et al.(2007)用 64 条叶绿体基因组序列推断了被子植物之间系统发育关系。Luo et al.(2016)基于叶绿体基因组的研究支持 Tofieldiaceae 作为泽泻目(Alismatales)的最基部家系。Carbonell-Caballero et al.(2015)用 34 条叶绿体基因组序列解决了野生和栽培橘属(Citrus)物种之间的亲缘关系。Zhang et al.(2017)用142 条叶绿体基因组序列成功地推断出蔷薇科(Rosaceae)深层的亲缘关系和多样化的历史。这些研究再次强烈证明基于叶绿体基因组的系统发育研究有助于解决各种植物类群的系统进化位置,已经成为研究植物系统学的新工具。

国内对于叶绿体的研究已经包括葡萄属,十字花属,山茶属等许多植物类群,同样取得了重大的成果,对于提高作物产量,次生产品产量有非常好的意义,例如对于中医药方面,中草药的市场需要一个清晰明确的指标来论断药物的好坏与功效,指明物种间的进化关系是一个明确之举。同理,明确物种之间的进化关系还能有效的帮助我们研发新品种,改良农艺性状,提高抗病能力,抵抗生物和非生物胁迫,能更好的应对日益恶化的生态环境。

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3. 研究的基本内容与计划

对于木犀科相似种之间的联系,通过研究其叶绿体基因组之间的差异可以窥见一二,首先自然是要先得到两种木犀科植物的叶绿体基因组全序列,涉及

对于木犀科相似种之间的联系,通过研究其叶绿体基因组之间的差异可以窥见一二,其测序流程应当是:样品采集叶绿体提取叶緑体DNA的提取与纯化叶绿体基因组测序文库的构建测序叶绿体基因组序列的拼接与组装。

获得叶绿体基因组序列全长后,利用生物信息学方法可先对其基本特征进行分析,包括序列总长度、IR区的确定、四个基本区域的长度等特征、GC含量等。主要利用软件,结合脚本撰写,完成序列组装,注释,比较基因组分析,进化分析等任务。将叶绿体基因组序列利用blast进行自身比对,利用HI区的特性,可确定两个IR区域,同时可确定LSC和SSC区域,四个区域的边界也得以确定。采用BioEdit对叶绿体基因组序列及各个区域进行GC和AT含量的分析。分析其密码子使用偏性,密码子使用偏性是指在不同物种间或同一物种内的基因翻译过程中,某些密码子的使用次数多于其它同义密码子的现象。由于这一现象和遗传信息载体分子DNA和生物功能分子蛋白质相关联,所以具有很重要的意义。采用软件CodonW来分析叶绿体基因组的密码子使用偏性,并通过图表来直观地表现数据结果。分析其重复序列和SSR,采用在线软件REPuter对植物叶绿体基因组的重复序列进行分析,结果提供四种可能的重复类型:正向重复,反向重复,互补重复,回文重复。参数设置:重复序列一致性大于90%,hamming距离为3,长度大于30bp。建立系统发育体系,分析时选取邻近科属植物的相应遗传信息,如核基因、叶绿体基因组、线粒体基因组等,包括选取的三种木犀科植物起一起,建立系统发育树。采用常见的三种方法来构建系统进化树:最大简约法,最大似然法,贝叶斯法。

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4. 研究创新点

利用基因组学的两大核心技术,序列测定及基因组信息化,研究者尝试去描绘并解读生命现象。叶绿体是除细胞核外包含遗传物质的重要细胞器之一,能进行光合作用,在植物生长发育与漫长演化过程中发挥着无可替代的作用。叶绿体基因组因其基因结构与内容的保守性,且包含大量的遗传信息,相较于核基因组及线粒体基因组在基因转化,物种鉴定,系统进化方面具有独特优势,已经广泛运用到农业生产,生物制药等领域。

木犀科作为我国由来已久的观赏花木,其种植历史也是非常久远的,由此应运而生的副产品也是很多的,所以研究木犀科的种间关系有利于我们加深对桂花的了解,深入研究和思考桂花产业的发展问题,满足市场对桂花的多样化需求,例如四季桂,银桂新品种的研发等,可以通过基因工程技术,培育适合不同气候条件的桂花品种。

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