高胚性转化玉米KN5585参考序列构建及其基因组特性分析

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玉米是全世界最重要粮食作物之一,也是基因组研究的模式植物之一。一系列玉米自交系(如B73、Mo17等)基因组参考序列的发表,对玉米的基础研究起了重要的推动作用,也为玉米的遗传改良提供了重要的基础数据。不同玉米品系之间具有大量的单核苷酸多态性、小的插入/缺失和结构变异,这些遗传变异与重要性状的表型差异关系密切。高质量和代表性的玉米参考基因组,对玉米遗传多样性研究和品种改良至关重要。借助植物组织培养和基因工程等技术,遗传转化能够精准、快速的实现对目标植物性状的改进。农杆菌转化法在植物遗传转化中被广泛使用,但农杆菌介导的遗传转化再生率在玉米不同品系之间差异很大,极大地限制了遗传转化技术在不同玉米品系的应用。玉米KN5585是目前中国玉米转化使用最为广泛的材料,并且已经构建了以它作为受体的突变体库,解析KN5585基因组参考序列可以为众多遗传转化研究提供重要支撑。通过转录因子异位表达是遗传转化中体细胞胚发生的重要诱导方式之一,能够提高遗传转化再生率。但利用这种诱导方式,使玉米通过体细胞胚发生的方式获得转化植株的分子调控机制还不清晰。本研究利用ONT测序平台对具有良好转化再生特性的玉米自交系KN5585进行全基因组测序,完成了玉米KN5585高质量参考序列的组装和基因注释。通过和玉米自交系B73、Mo17、SK的全基因组比较,发现了大量玉米KN5585特异的结构变异。将KN5585和无法形成胚性愈伤的玉米自交系Chang7-2(郑单958父本)的幼胚分别在植物激素、异位表达Zm WUS、Zm BBM基因诱导作用下培养3天,通过对幼胚以及不同条件培养后的幼胚进行转录组测序分析,发现了7个可能与转化再生率相关的候选基因。主要结果如下:1.基于ONT Prometh ION平台和MGISEQ-2000平台对玉米自交系KN5585进行测序,组装得到高质量的KN5585参考基因组。最终得到的基因组序列总长为2.23Gb,其中contig的N50和N90分别是24.52Mb和5.05Mb,BUSCO评价为96.0%,组装的完整性和准确性都较高。利用Hi-C数据,将2.13Gb序列分配到10条拟染色体中,占组装序列总长度的95.5%。2.对KN5585基因组参考序列进行了注释,总长约1.95Gb的序列被注释为重复序列,占整个基因组序列的89.46%。通过将软件从头预测、同源蛋白注释、NGS平台测序的转录组数据注释和ONT平台测序的全长转录本注释进行整合,注释了玉米KN5585基因组的40,765个编码蛋白基因,共100,254个转录本,其中97.93%的转录本能够在功能数据库获得功能注释信息。3.将KN5585基因组与玉米B73、SK、Mo17基因组进行全基因组比较分析,4个玉米基因组在染色体层面的共线性关系是保守的。在全基因组范围内KN5585与其他3个基因组之间存在大量的结构变异。4.对玉米KN5585和Chang7-2的幼胚、胚性愈伤组织进行转录组测序分析,比较两个品系玉米胚性愈伤发育的基因调控差异,我们发现了Zm YUC2、Zm IAA等2,812个品系特异性差异表达基因,揭示了内源生长素合成代谢信号途径的激发是正常诱导产生胚性愈伤的关键。5.通过对玉米KN5585和Chang7-2幼胚在Zm BBM和Zm WUS2诱导表达组与对照组(Aux对照组、阴性质粒对照组)培养3天后的转录组测序分析,发现了7个可能影响玉米体细胞胚发生的重要候选基因。综上所述,本研究成功利用ONT平台测序完成了玉米KN5585基因组的高质量组装,为采用ONT平台测序构建大型植物基因组参考序列提供了一套可供参考的方法策略。通过对遗传转化过程中基因表达的差异分析,发现了玉米不同基因型转化差异的可能原因,并挖掘了影响体细胞胚发生的多个关键候选基因,为创造不依赖于基因型的玉米高效转化的体系奠定了基础。
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