根瘤菌中共生相关基因和真菌中次生代谢基因簇的水平转移研究

论文摘要

基因水平转移是指生物将遗传物质传递给其它细胞而非其子代的过程,主要有接合、转导和转化等方式。基因水平转移可以使受体细胞快速获得新的分子功能,是微生物适应性进化的重要驱动力之一。大规模微生物比较基因组学分析可深化我们对基因水平转移过程和方式的认识和理解。本研究以基因水平转移为中心,提出了检测基因水平转移的新策略及其算法,在此基础上,深入分析了根瘤菌中的共生相关基因和真菌中次生代谢基因簇的水平转移的过程,并对Rhizobium属根瘤菌质粒进行了大规模的比较基因组学分析。一种新的探测近期发生的基因水平转移的计算方法分析了两对分别发生过（测试组）和未发生过（对照组）基因水平转移的Rhizobium属根瘤菌,发现对照组中所有直系同源基因的序列一致性指标值近似服从Weibull分布;测试组中直系同源基因一致性指标值的分布与常规Weibull分布之间存在显著偏离的区段。该区段显示的序列相似性极高,其中蕴含大量的水平转移基因。在此基础上,设计了基于期望最大算法估计水平转移基因数量的模型（RecentHGT）。RecentHGT能够准确探测近期发生的基因水平转移事件,且能应用于全基因组层面上是水平转移事件的检测,稳健性较好。菜豆根瘤菌中基因水平转移的探测基于Rhizobium、Sinorhizobium和Bradyrhizobium属中32个基因种的共77个根瘤菌菌株的基因组数据,使用RecentHGT检测其中的基因水平转移事件,发现包含共生相关基因在内的大规模基因水平转移事件是造成菜豆根瘤菌物种多样性的主要原因。Rhizobium属中的基因水平转移仅发生在菜豆根瘤菌之间,表现出明显的宿主专一性,而Sinorhizobium和Bradyrhizobium属菜豆根瘤菌则只与同属的大豆根瘤菌发生过基因水平转移,表现出大豆根瘤菌对菜豆的共生兼容性。Rhizobium属中的绝大部分的基因水平转移主要由共生质粒介导,且存在两种独立的转移类群。结合共生质粒的比较分析发现,其中一类不常见的基因水平转移类群可能与所在菌株对特定酸性土壤环境的适应有关。Rhizobium属根瘤菌质粒的比较基因组学研究构建“质粒-同源蛋白质簇”二分网络对49个Rhizobium属基因组完成图中的216个质粒进行比较基因组学分析,共筛选得到34个同源质粒簇,显示出Rhizobium属根瘤菌质粒的复杂多样性。同时,绝大部分菌株以其中4种成员最多的同源质粒簇（1个共生质粒簇和3个附属质粒簇）为基本组成。其余的同源质粒簇则不常见。进化分析表明共生质粒簇、不常见的质粒簇与4种常见质粒簇和主染色体之间的共同进化历史较短,很可能来源于近缘微生物质粒的转移。功能分析结果显示,共生质粒簇具有独特的和多样化的功能使其对宿主细胞与豆科植物的共生具有决定性作用;常见的附属质粒簇都有其各自特异的但又互相补充的对细胞生存至关重要的功能类别,其中一类附属质粒簇甚至编码了若干必需基因。此外,二分网络还提供了质粒之间基因交换、质粒的融合和分裂、宿主豆科植物对质粒的选择性以及质粒对环境的适应性等大量有意义的证据。真菌中fusidane型三萜类化合物合成基因簇的进化研究系统分析了三种fusidane型三萜类化合物合成基因簇的组成和进化。结果表明真菌中烟曲霉酸、夫西地酸和头孢菌素P1三种合成途径的前期均由6个核心基因所催化的反应组成,具有共同的中间产物,后期则由各自特有的基因催化得到特定的产物。三种合成基因簇的进化历史较为复杂:1)其成员基因通过祖先的环化酶、P450单氧酶和酰基转移酶基因的基因复制事件以及三种脱氢酶基因家族的定向分化后逐渐形成。2)夫西地酸和头孢菌素P1合成基因簇可能由古老的烟曲霉酸基因簇衍化而来。3)三种合成基因簇在真菌界中零星分布由合成基因簇整体的基因水平转移所致。综上,本研究系统分析了重要微生物中的基因水平转移现象,提出了一种新的探测基因水平转移的方法,系统阐述了共生相关基因的水平转移以及不同类型质粒对根瘤菌-豆科植物共生的影响,并提供了真菌之间次生代谢基因簇发生水平转移的证据。研究结果可深化对基因水平转移过程和机制的认识,有助于深入理解其对微生物适应性进化中的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
•   1.1 微生物中基因水平转移的研究
•     1.1.1 基因水平转移的发现
•     1.1.2 基因水平转移的机制
•     1.1.3 基因水平转移的生物学意义
•     1.1.4 基因水平转移在进化中的重要性
•     1.1.5 基因水平转移的探测方法
•   1.2 根瘤菌中共生基因簇的散播和质粒进化的研究
•     1.2.1 共生基因的载体与水平转移现象
•     1.2.2 根瘤菌中基因水平转移发生的频率
•     1.2.3 根瘤菌质粒在共生固氮中的作用
•     1.2.4 质粒系统发育关系研究中的基于分子标记的传统方法
•     1.2.5 网络方法在比较基因组学的应用
•   1.3 真菌中三萜类抗生物合成基因簇的研究进展
•   1.4 本论文的研究内容与意义
• 第二章 一种新的探测近期发生的基因水平转移的计算方法
•   2.1 引言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 基因组整理与注释
•     2.2.2 泛基因组构建
•     2.2.3 系统发育分析
•     2.2.4 参考理论分布的拟合分析
•     2.2.5 期望最大算法的使用
•     2.2.6 构建细菌基因组之间发生水平基因转移的模拟框架
•     2.2.7 系统发育学和基因组特征方法探测基因水平转移
•   2.3 结果与分析
•     2.3.1 Rhizobium属菌株之间同源基因簇的序列一致性分布
•     2.3.2 模拟两个细菌基因组之间大规模的基因水平转移事件
•     2.3.3 寻找最优的理论分布来近似拟合观测的序列一致性分布
•     2.3.4 构建期望最大算法来预测水平转移的基因数量
•     2.3.5 基于模拟与观测的数据选择最优的序列一致性阈值
•     2.3.6 RecentHGT与传统水平基因转移探测方法比较
•     2.3.7 RecentHGT对亲缘关系较远的细菌的预测效果
•   2.4 讨论与结论
• 第三章 菜豆根瘤菌中基因水平转移的探测
•   3.1 引言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 基因组整理与注释
•     3.2.2 泛基因组构建
•     3.2.3 系统发育分析
•     3.2.4 基因水平转移探测
•     3.2.5 二分网络方法分析菜豆根瘤菌共生质粒
•   3.3 结果与分析
•     3.3.1 菜豆根瘤菌的系统发育学多样性
•     3.3.2 Rhizobium属根瘤菌中的基因水平转移
•     3.3.3 Bradyrhizobium和 Sinorhizobium属根瘤菌中的基因水平转移
•   3.4 讨论与结论
• 第四章 Rhizobium属根瘤菌质粒的比较基因组学研究
•   4.1 引言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 Rhizobium属根瘤菌完整基因组收集和其质粒蛋白质组整理
•     4.2.2 二分图网络构建、聚类与可视化
•     4.2.3 同源质粒簇中的外源基因探测
•     4.2.4 质粒可复制性和流动性的探测
•     4.2.5 系统发育学分析
•     4.2.6 群体遗传学分析
•     4.2.7 密码子使用偏好性分析
•     4.2.8 Chromid探测
•     4.2.9 常见同源质粒簇编码基因的COG注释与富集分析
•   4.3 结果与分析
•     4.3.1 Rhizobium属根瘤菌质粒的概述
•     4.3.2 ―质粒-同源基因家族‖二分图网络
•     4.3.3 基于二分图网络的同源质粒聚类
•     4.3.4 同源质粒聚类结果与传统的基于质粒复制性和流动性分子标记的系统发育学方法比较
•     4.3.5 质粒分裂和融合现象
•     4.3.6 同源质粒簇之间不同的进化和基因组成分特征
•     4.3.7 共生质粒簇与附属质粒簇之间受宿主选择性的差异
•     4.3.8 同源质粒簇间的功能偏好性和互补性
•   4.4 讨论与结论
• 第五章 真菌中Fusidane型三萜类化合物合成基因簇的进化研究
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 真菌基因组收集与注释
•     5.2.2 转录组组装与差异表达分析
•     5.2.3 夫西地酸和头孢菌素P1合成基因簇的预测
•     5.2.4 所有公开的真菌基因组中合成基因簇的搜索
•     5.2.5 真菌及其编码的合成基因簇的系统发育学分析
•     5.2.6 构建真菌的按分歧时间的超度量树
•     5.2.7 合成基因簇的水平转移探测
•     5.2.8 合成基因簇的起源和分化分析
•     5.2.9 OSC基因在酿酒酵母中的功能鉴定
•     5.2.10 化学分析
•   5.3 结果与分析
•     5.3.1 真菌中Fusidane型三萜类化合物合成基因簇的特征
•     5.3.2 合成基因簇及其所在真菌的系统发育关系的比较
•     5.3.3 合成基因簇在真菌中的水平转移事件
•     5.3.4 合成基因簇在真菌中的起源与分化
•   5.4 讨论与结论
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李相辰

导师: 陶士珩

关键词: 基因水平转移,根瘤菌,共生模块,质粒,合成基因簇

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家自然科学基金(编号:41830755),国家重点研发计划课题(编号:2016YFD0200308)

分类号: Q933

总页数: 228

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