同域分布的核桃和铁核桃群体遗传及选择基因生物信息学研究

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核桃(Juglans regia L.)和铁核桃(J.sigillata Dode.)均隶属于壳斗目胡桃科(Juglandaceae)胡桃属(Juglans)胡桃组(Section Dioscaryon或Sect.Juglans),为第三纪“孑遗植物”。其中核桃广泛分布于北半球温带地区,为重要的经济树种,因其坚果和木材具有很高的营养和药用价值,生态价值,故而体现出超高的经济价值。铁核桃为胡桃属植物中国特有种,与广泛栽培的核桃亲缘关系密切。由于在中国西南部核桃与铁核桃表现出显著的同域分布模式,因此探讨该两个近缘种同域分布种间基因渐渗具有重要的研究价值。近年来,大多数研究只针对该组某一物种进行群体遗传学研究,缺乏对胡桃属内两个近缘种的综合比较,没有完全揭示出它们之间的基因渐渗以及两个近缘种种间深层次的物种系统发育关系。本研究利用课题组从胡桃属五个物种筛选出的25对EST-SSR位点对中国西南部(云南、贵州、四川)同域分布的核桃及其近缘种铁核桃间的遗传多样性、遗传结构、基因渐渗进行了研究。此外,对两个近缘种基于转录组选择消除分析筛选出的10个受选择基因序列进行生物信息学方面的分析。主要得出以下研究结果:(1)本研究利用25对EST-SSR分子标记对云贵川地区胡桃组内两个近缘种28个居群(核桃:15个居群,190个个体;铁核桃:13个居群,316个个体),共506个个体进行了群体遗传和基因渐渗分析研究。遗传多样性结果表明:核桃与铁核桃相比,核桃群体拥有较丰富的遗传多样性(核桃:HO=0.291,HE=0.306,PPL=0.328;铁核桃:HO=0.260,HE=0.267,PPL=0.273)。景观遗传IDW分析显示:云南北部和贵州的核桃遗传多样性较高,而云南西北部的铁核桃遗传多样性较高。基于贝叶斯的聚类分析表明四个数据集遗传结构结果显示K=2时,核桃和铁核桃各物种不同居群间并没有显著地分为两个遗传聚类,存在显著的基因渐渗,两个聚类间并未出现清晰的界限。主坐标分析(PCoA)、系统进化树(NJ、UPGMA)都进一步证实了Structure软件分析的结果,我们推测主要与二者的系统关系密切相关。分子方差(AMOVA)分析表明胡桃组近缘种组间分子变异为7.3%,在各物种居群内,核桃与铁核桃遗传变异主要存在于居群内,居群内存在显著的变异百分比(核桃73%,P<0.0001;铁核桃76%,P<0.0001),居群间的遗传变异较小。基因流分析结果表明,有效群体大小(θ)值和迁移率(M)值均大于零,核桃与其近缘种间存在高度不对称的历史基因流。Mantel检验分析表明核桃与铁核桃的遗传距离和地理距离间不存在显著的相关性(核桃:P=0.27,r=-0.065,R2=0.0042;铁核桃:P=0.32,r=0.05,R2=0.0025)。结合本研究得出的结果,应该可以为后续核桃与铁核桃种质遗传方面的研究提供一定的理论支持。(2)本研究基于高通量测序技术对两个近缘种核桃及铁核桃进行了选择消除分析,并结合转录组测序与核桃已公布参考基因组注释分析共筛选出10个差异受选择基因。利用生物信息学的方法我们对10个受选择基因进行序列分析。理化性质分析表明:基因编码氨基酸数范围为204-945,理论等电点(PI)范围在4.86-9.31内,80%的基因编码蛋白属于不稳定蛋白,脂肪指数在54.97-106.98间变化。亲疏水性分析表明所有基因平均亲疏水性均为负值,预测各基因编码蛋白为亲水性蛋白。跨膜结构域预测表明前30个氨基酸只有WALNUT00006189和WALNUT00025804基因具有明显的跨膜区域,属于横向跨膜蛋白,其余基因均不存在跨膜结构。所有基因编码蛋白不存在明显的信号肽特征,推测其不属于分泌蛋白。亚细胞定位分析显示:10个受选择基因定位到真核生物中。主要的二级结构和三级结构由α-螺旋(α-helix)和无规卷曲(Random coil)组成。系统进化树分析表明,核桃与欧洲栓皮栎聚为一进化分支,表现出较高的序列同源性。我们还对筛选出的10个受选择基因编码蛋白的功能结构域进行了预测,结果显示:每个基因编码蛋白都具有自己独特的功能特性,并在植物生长发育、逆境胁迫,信号转导等方面发挥重要作用,在后续指导农业生产上可提供理论依据。
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