基于一种绿藻全基因组探究植物界演化起源

论文摘要

绿藻(Green algae),由绿藻门(Chlorophyta)和链形植物门(Streptophyta)中的轮藻(Charaphyta)组成。作为地球上最大的初级生产者群体,绿藻和高等陆地植物一样都可以通过光合作用产生碳水化合物,所以很多研究认为绿藻和高等陆地植物可能具有同一个祖先。为了探究植物和绿藻间的进化关系,本研究以一种单细胞海洋浮游生物Prasinoderma coloniale为对象,基于全基因组数据,1000 plants(oneKP or 1KP)转录组数据,109个核糖体DNA(rDNA)数据和叶绿体数据,通过全基因组数据的拼接,基因注释,和系统发育学分析,鉴定出一个绿色植物分支(Viridiplantae)最早分化出的门类Prasinodermophyta。基于比较基因组学分析,表明P.coloniale基因组(28.6Mb)的组成和结构与Streptophyta和Chlorophyta都不相似,早期Streptophyta的外显子,内含子,基因间区比P.coloniale会更大,而早期的Chlorophyta则会更小。此外,通过生物信息学的方法,本研究还找到了P.coloniale区别于其他绿藻的独特生物学特性,如P.coloniale虽然有厚细胞壁,但是却没有任何与高等陆地植物细胞壁主要成分(如纤维素)合成相关的通路。进一步分析发现P.coloniale有完整的肽聚糖合成途径,而肽聚糖是细菌细胞壁主要成分。P.coloniale在基质,线粒体和叶绿体同时存在C4固碳机制,还具有以PEPCK和delta CA为代表的特有固碳关键酶。P.coloniale光捕获蛋白(LHC)的拷贝数也比早期的Streptophyta和早期的Chlorophyta多。P.coloniale基因组还发生过大量的水平基因转移事件,其中大部分基因都和一些重要生物学通路相关。基于以上结果,我们发现P.coloniale在基因组序列的构成,和生物学通路上都展现出与其他的Viridiplantae(尤其是早期的Streptophyta与早期的Chlorophyta)不同的特性,这些特性很可能是物种与环境共同作用的结果。同时,P.coloniale的基因组作为绿色植物界形成的第一步,照亮了绿色植物界进化黎明的曙光。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 植物界系统的研究概述
•     1.1.1 绿色植物界系统
•     1.1.2 链形植物门（Streptophyta）的分类及系统发育研究
•     1.1.3 绿藻门（Chlorophyta）的分类及系统发育研究
•     1.1.4 绿藻的起源
•   1.2 绿色植物界最原始的门类----青绿藻纲（Prasinophyceae）的研究概述
•     1.2.1 青绿藻Prasinoderma coloniale的基本描述
•     1.2.2 青绿藻纲系统发育研究
•   1.3 青绿藻纲全基因组系统发育研究概述
•     1.3.1 已发表青绿藻纲的全基因组研究概述
•     1.3.2 青绿藻纲系统发育研究的难点及挑战
•     1.3.3 常用全基因组系统发育方法
•     1.3.4 基于全基因组研究植物系统发育的应用
•   1.4 绿藻进化到绿色植物过程中功能基因的变化
•     1.4.1 转录因子的形成和扩张
•     1.4.2 植物激素的形成和扩张
•     1.4.3 鞭毛的退化
•     1.4.4 其他基因的变化
•   1.5 本试验研究的目的、意义、内容和技术路线
•     1.5.1 目的及意义
•     1.5.2 研究内容
•     1.5.3 技术路线
• 第二章 基因组及叶绿体的组装和注释
•   2.1 引言
•   2.2 步骤和方法
•     2.2.1 材料和DNA提取
•     2.2.2 基因组文库构建和测序
•     2.2.3 数据的质控和过滤
•     2.2.4 全基因组数据的调研
•     2.2.5 绿藻基因组及转录组的组装和评估
•     2.2.6 绿藻叶绿体基因组的组装和评估
•     2.2.7 绿藻基因组的重复序列注释
•     2.2.8 绿藻全基因组的基因注释、评估和功能注释
•     2.2.9 基因组的功能注释
•     2.2.10 叶绿体的基因注释
•   2.3 结果
•   2.4 讨论
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于基因组、rDNA和叶绿体证据的系统发育分析与比较基因组学分析
•   3.1 引言
•   3.2 步骤和方法
•     3.2.1 基于全基因组和转录组数据的系统发育关系
•     3.2.2 基于rDNA数据的系统发育关系
•     3.2.3 基于叶绿体数据的系统发育关系
•     3.2.4 基因家族成分统计
•     3.2.5 基因组结构统计
•   3.3 结果
•     3.3.1 系统发育分析
•     3.3.2 P.coloniale的基因成分与早期Viridiplantae的区别
•     3.3.3 P.coloniale的基因结构与早期Viridiplantae的区别
•   3.4 讨论
•     3.4.1 Prasinodermophyta——Viridiplantae最早分化出的分支
•     3.4.2 从早期Viridiplantae的基因构成看Viridiplantae的进化
•     3.4.3 Viridiplantae基因结构的进化
•   3.5 本章小结
• 第四章 绿色植物界生物学功能的演化
•   4.1 引言
•   4.2 步骤和方法
•     4.2.1 功能基因的鉴定
•     4.2.2 鞭毛基因的确认
•     4.2.3 亚细胞定位
•     4.2.4 水平基因转移基因的鉴定
•   4.3 结果
•     4.3.1 转录因子在Viridiplantae中的进化
•     4.3.2 光捕获蛋白LHC
•     4.3.3 P.coloniale的碳固定机制（carbon-concentrating mechanisms,CCM）
•     4.3.4 细胞壁成分
•     4.3.5 鞭毛蛋白的进化
•     4.3.6 水平基因转移
•   4.4 讨论
•     4.4.1 4种植物型转录因子在P.coloniale中开始出现
•     4.4.2 光捕获蛋白LHC在 P.coloniale的迅速扩张
•     4.4.3 特有的C4 固定机制
•     4.4.4 特殊的肽聚糖类细胞壁
•     4.4.5 Viridiplantae中鞭毛的丢失事件
•     4.4.6 大量水平基因转移事件
•   4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李林洲

导师: 杜红丽

关键词: 系统发育,细胞壁,碳固定机制

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 华南理工大学

分类号: Q943

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.004712

总页数: 79

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