水稻、高粱、高粱稻重复顺序DNA复性动力学分析

应用DNA复性动力学方法对水稻、高粱以及它们的杂交后代高粱稻的重复顺序DNA进行了分析。配合应用计算机技术,研究了它们基因组结构的概况。发现与母本水稻相比,远缘杂交后代高粱稻基因组在中度重复顺序部分发生了变化。     

稻属植物的基因组进化

水稻所在的稻属(Oryza)共有24个左右的物种。由于野生稻含有大量的优良农艺性状基因, 在水稻遗传学研究中日益受到重视。随着国际稻属基因组计划的开展, 越来越多的稻属基因组序列被测定, 稻属成为进行比较、功能和进化基因组学研究的模式系统。近期开展的一系列研究对稻属不同基因组区段以及全基因组序列的比较分析, 揭示了稻属在基因组大小、基因移动、多倍体进化、常染色质到异染色质的转化以及着丝粒区域的进化等方面的分子机制。转座子的活性以及转座子因非均等重组或非法重组而造成的删除, 对稻属基因组的扩增和收缩具有重要作用。DNA双链断裂修复介导的基因移动, 特别是非同源末端连接, 是稻属基因组非共线性基因形成的主要来源。稻属基因组从常染色质到异染色质的转换过程, 伴随着转座子的大量扩增、基因片段的区段性和串联重复以及从基因组其他位置不断捕获异染色质基因。对稻属不同物种间基因拷贝数、特异基因和重要农艺性状基因的进化等研究, 可揭示稻属不同物种间表型和适应性差异的分子基础, 将加速水稻的育种和改良。     

拟南芥DNA探针的比较基因组原位杂交揭示的拟南芥与远缘植物基因组间的同源性

采用生物素标记的拟南芥基因组DNA探针在75%杂交严谨度下对双子叶植物番茄、蚕豆和单子叶植物水稻、玉米、大麦的染色体进行了比较基因组荧光原位杂交（comparative genomic in situ hybridization,cGISH）分析,以揭示拟南芥与远缘植物基因组间的同源性.cGISH信号代表了拟南芥基因组DNA中的重复DNA与靶物种染色体上同源序列的杂交.探针DNA在所有靶物种的全部染色体上都产生了杂交信号.杂交信号为散在分布,并呈现随基因组增大,杂交信号增多,且分布更加分散的趋势.所有靶物种的核仁组织区（NOR）都显示了明显强于其他区域的杂交信号,表明拟南芥基因组DNA探针可用于植物NOR的物理定位.在所有的靶物种中,信号主要分布在染色体的臂中间区和末端,着丝粒或近着丝粒区有少数信号分布.大麦染色体显示了与C-和N-带不同的独特的cGISH信号带型,表明此探针可用于不同植物染色体的识别.这些结果表明,拟南芥基因组与远缘植物基因组之间,除rDNA和端粒重复序列外,还存在其它同源的重复DNA;一些重复DNA序列在被子植物分歧进化为单子叶和双子叶植物之前就已存在,虽经历了长期的进化过程,至今在远缘物种之间仍保持了较高的同源性.结果还提示,大基因组中古老而保守的重复DNA在进化过程中发生了明显的扩增.     

象甲科线粒体基因组特征及系统发育分析

昆虫线粒体基因组广泛应用于系统发育关系的重新建立、分子进化、谱系地理学及物种诊断等领域。为揭示象甲科昆虫线粒体全基因组序列的主要结构特征,探究其系统发育相关信息,为进化遗传学研究和分子标记选取等提供参考依据,本研究利用比较基因组学和生物信息学方法,对NCBI上已公布的35种象甲科物种线粒体全基因组序列进行了分析。结果显示:(1)象甲科tRNA基因存在排序及数目异常情况,不同物种中蛋白质编码基因和2种rRNAs排列相同,线粒体全基因组具有明显AT偏向;(2)COX1、ATP6、ND5、ND4、ND4L和ND1基因除标准三联密码子外,还存在特殊的起始密码子AAT、TTG和GTG;(3)13种蛋白质编码基因的进化速率顺序为COX3ATP8ND2ND5ND1ND4ND6ND4LND3ATP6CytbCOX1COX2;(4)13个蛋白编码基因和rRNAs基因中,ND5、rrnL、ND4和ND2基因变异位点数较高,可作为备选的分子标记;(5)各亚科的系统发育关系可能为(((小蠹亚科Scolytinae+长小蠹亚科Platypodinae)+(隐喙象亚科Cryptorhynchinae+魔喙象亚科Molytinae+象虫亚科Curculioninae)+((孢喙象亚科Cyclominae+粗喙象亚科Entiminae)+(隐颏象亚科Dryophthorinae+长小蠹亚科))),为象甲科的系统发育分析有提供参考。     

栽培高粱、甜高粱和拟高粱比较基因组原位杂交分析

用一种植物的总基因组DNA与近缘或远缘物种的染色体杂交,可以研究植物近缘或远缘物种基因组进化关系。以拟高粱总基因组DNA为探针,对栽培高粱、甜高粱基因组进行杂交,结果表明栽培高粱、甜高粱和拟高粱基因组中重复序列存在很大的同源性,基因组进化关系表现出保守性。栽培高粱与拟高粱基因组间重复序列的同源性要比甜高粱与拟高粱间重复序列的同源性高。     

栽培高梁、甜高梁和拟高梁比较基因组原位杂交分析

用一种植物的总基因组DNA与近缘或远缘物种的染色体杂交,可以研究植物近缘或远缘物种基因组进化关系。以拟高粱总基因组DNA为探针,对栽培高粱、甜高粱基因组进行杂交,结果表明栽培高粱、甜高梁和拟高梁基因组中重复序列存在很大的同源性,基因组进化关系表现出保守性。栽培高粱与拟高粱基因组间重复序列的同源性要比甜高粱与拟高粱间重复序列的同源性高。     

残锷线蛱蝶线粒体基因组全序列及其系统学意义(英文)

对残锷线蛱蝶(Parathymasulpitia)(鳞翅目:蛱蝶科)线粒体基因组全序列进行了测定。结果表明:残锷线蛱蝶线粒体基因组全序列全长为15268bp,除了在trnS1(AGN)和trnE基因之间有一段121bp长的基因间隔外,其基因的排列顺序及排列方向与大多数已测鳞翅目物种基本一致。在蛋白质编码基因中,除cox1以CGA作为其起始密码子之外,其余12个蛋白质编码基因都以标准的ATN作为起始密码子。此外,除nad4基因以单独的T为终止密码子,其余12个蛋白质编码基因都以TAA结尾。除trnS1(AGN)缺少DHU臂之外,22个tRNA基因都显示典型的三叶草形二级结构。除A+T富集区外的非编码序列中,线粒体基因组共含有11个基因间隔区。其中,最长的一个121bp的基因间隔区位于trnS1(AGN)和trnE之间,其A+T含量高达100%。另外,和其他鳞翅目物种一样,在其A+T富集区的3’端有一段长达18bp的poly-T结构。A+T富集区内部没有明显的小卫星样多拷贝重复序列,而含有一些微卫星样的重复结构。本研究基于13种蛋白编码基因序列的组合数据,用最大似然法和贝叶斯法对蛱蝶科几个主要亚科间共9个代表物种间的系统发生关系进行了分析。结果表明,本研究的结果与前人的分子系统学研究结论基本吻合(其中,线蛱蝶亚科和釉蛱蝶亚科互为姐妹群),而与形态学的研究结论不一致。     

水稻(Oryza sativa L.)核基因组存在叶绿体psbA基因的同源片段

序列比较说明,重复DNA顺序pRRD9与水稻叶绿体基因组中编码QB蛋白的psbA基因存在高度的同源。用pRRD9亚克隆片段pRRD9R和片段pRRD9L对水稻的叶绿体和核DNA进行Southern杂交分析,揭示了psbA基因同源片段在某个进化时期由叶绿体基因组转移到水稻核基因组,而且两者在水稻进化过程中的变异程度存在明显的差异。利用它们对野生稻和栽培稻总DNA的Southern杂交分析,显示亚洲栽培稻与AA基因组型的野生稻有较近的亲缘关系,以及在部分野生稻产生特异的杂交带谱,说明它可以作为一种分子探针来研究水稻的进化问题。     

昆虫的转座子及其功能

转座子是一类散布在基因组中序列重复的DNA片段,它们可以通过特定转座酶在基因组中移动.目前测序的真核生物基因组的结果都显示转座子占基因组中相当大的一部分.目前对于转座子功能的研究主要集中在产生新功能、修饰染色质、保护生殖细胞,以及参与基因组的协同进化上.随着对其功能研究的深入,利用转座子转座能力开发的转基因系统可以改造物种的遗传性状.此外转座子还可以作为一个标尺用以分析物种进化关系.     

自身基因组原位杂交揭示植物基因组重复DNA沿染色体的分布

重复DNA沿染色体的分布是认识植物基因组的组织和进化的要素之一。本研究采用一种改良的基因组原位杂交程序,对基因组大小和重复DNA数量不同的6种植物进行了自身基因组原位杂交(self-genomic in situ hybridization,self-GISH)。在所有供试物种的染色体都观察到荧光标记探针DNA的不均匀分布。杂交信号图型在物种间有明显的差异,并与基因组的大小相关。小基因组拟南芥的染色体几乎只有近着丝粒区和核仁组织区被标记。基因组相对较小的水稻、高粱、甘蓝的杂交信号分散分布在染色体的全长,但在近着丝粒区或近端区以及某些异染色质臂的分布明显占优势。大基因组的玉米和大麦的所有染色体都被密集地标记,并在染色体全长显示出强标记区与弱标记或不标记区的交替排列。此外,甘蓝染色体的所有近着丝粒区和核仁组织区、大麦染色体的所有近着丝粒区和某些臂中间区还显示了增强的信号带。大麦增强的信号带带型与其N-带带型一致。水稻自身基因组原位杂交图型与水稻Cot-1DNA在水稻染色体上的荧光原位杂交图型基本一致。研究结果表明,自身基因组原位杂交信号实际上反映了基因组重复DNA序列对染色体的杂交,因而自身基因组原位杂交技术是显示植物基因组中重复DNA聚集区在染色体上的分布以及与重复DNA相关联的染色质分化的有效方法。     

水稻BAC在玉米有丝分裂染色体上FISH杂交体系的构建

 以水稻细菌人工染色体(BAC)为探针在玉米有丝分裂的细胞学制片上进行荧光原位杂交(FISH),探讨玉米基因组C_ot DNA对BAC探针重复序列的封阻、杂交后洗脱的严谨度、杂交液中FAD的浓度变化、水稻BAC探针的特异性重复序列的封阻对FISH杂交信号特异性的影响.初步形成了一套以水稻BAC探针在玉米有丝分裂染色体上进行BAC-FISH杂交的优化技术体系.研究结果表明：使用玉米基因组C_ot DNA来封阻水稻BAC探针的重复序列玉米基因组C _ot DNA的C_ot值应小于50,同时还需根据不同探针调整C_ot DNA的C_ot值及与探针的比例;而降低杂交液中FAD浓度和适度控制杂交后洗脱的严谨度,尤其是使用水稻BAC探针本身特异的重复序列的封阻对BAC-FISH杂交信号特异性的改善具有较好的效果.     

玉米有丝分裂染色体上玉米BAC探针的FISH杂交体系的构建

本研究分别探讨了玉米和水稻基因组c 0t DNA对探针的封阻、杂交后洗脱的严谨度、杂交液中FAD的浓度变化对BAC-FISH杂交的影响;探讨了玉米BAC探针中重复序列含量对FISH信号的影响.初步形成了一套以玉米BAC探针在玉米有丝分裂染色体上进行FISH杂交的优化技术体系.结果表明,玉米基因组c 0t DNA对探针封阻的c 0t值应小于50;而降低杂交液中FAD浓度和适度控制杂交后洗脱的严谨度,尤其是使用水稻基因组的c 0t 100 DNA封阻探针重复序列对BAC-FISH杂交信号特异性的改善具有明显的效果;同时,验证了选择重复序列含量较少的玉米BAC作为FISH杂交的探针也是获得特异性杂交信号的重要条件.     

水稻基因组中一类具有潜在转座活性的Solo—LTR的结构分析和鉴定

在水稻4号染色体两个BAC克隆序列分析中,发现了两个solo-LTR,分别命名为SLTR1和SLTR2。它们分别位于水稻18S rRNA基因和一逆转座子内部。序列比较发现,SLTR1和SLTR2存在着较高的同源性,并与水稻逆转座子RIRE8的LTR序列高度同源,分别为89.1%和70.1%。它们属于一类水稻gypsy类型逆转座子。利用SLTR1和SLTR2与水稻DNA杂交,结果显示两者广泛分布于水稻基因组中,是一类高拷贝重复序列。分别利用SLTR1和SLTR2的两侧特异性序列设计引物进行PCR扩增,结果发现在基因组的相应位置并不存在SLTR1或SLTR2;利用它们两侧被打断基因的特异性片段杂交基因组DNA,得到了同样的结果。这意味着SLTR1和SLTR2来源于基因组的其它位置,并通过某种转座的过程进入18S rRNA基因和另一逆转座子内部。Solo-LTR存在着这种潜在的转座活性,对于进一步研究solo-LTR的来源以及其在基因组进货和基因的表达调控中具有一定的意义。     

Technological exploration of BAC-FISH on mitotic chromosomes of maize

The rice BAC-DNA was used as probes and fluorescence in situ hybridization (FISH) was applied to the interphase and metaphase mitotic chromosomes of maize. To optimize the BAC-FISH technique, we respect-ively assayed the effect of several factors, including maize or rice genomic Cot DNA used as blocking reagent of DNA, washing temperatures and FAD concentration in the washing buffer and in the hybrid solution. The results show that Cot DNA of maize genome blocked the repet-itive sequence of the rice BAC-DNA when the Cot value was below 50. Meanwhile, it was necessary to adjust the Cot value according to the different probes and their ratios. Decreasing the concentration of FAD in the hybridization mixtures, adjusting the washing rate after hybridization, and most especially, blocking the rice-specific repetitive sequences of BAC-DNA could improve the positive signals of BAC-FISH.     

Construction of a DNA library from chromosome 4 of rice （Oryza sativa） by microdissection

A simple method to create a chromosome-specific DNA librqary of rice,including microdissection,amplification,charterization and cloning,is described.Rice chromosome 4 from a metaphase cell has been isolated and amplified by the Linker Adapter PCR (LA-PCR).The PCR products were labeled as probes with DIG-11-dUTP using the random priming method.Southern blot analysis with rice genomic DNA and specific RFLP markers demonstrated that the PCR products were derived from rice chromosome 4.A large library comprising over 100,000 recombinant plasmid microclones from rice chromosome 4 was constructed.Colony hybridization showed that 58% of the clones contained single or low-copy sequences and 42% contained repetitive sequences.The size of inserts generated by PCR ranged from 140bp to 500bp.This method will facilitate cloning of the specific chromosome DNA markers and important genes of rice.     

Segmental Duplications Are Common in Rice Genome

Segmental duplications on rice (Oryza sativa L.) chromosomes 8, 9, 11, and 12 were studied by examining the distributions of sequences resolved by 13 probes detecting multiple copies of DNA sequences. Four of the hybridization bands detected by a repetitive sequence probe, rTRS, were mapped to the ends of all the four chromosomes. Two or three of the bands detected by each of the other 12 probes were also mapped to different chromosomes. The bands detected by the same probe usually occurred in similar locations of different chromosomes. Loci detected by different DNA probes were often similarly arranged on different chromosomes. Chromosomes 8 and 9 showed colinearity of marker loci arrangement indicating a possible common origin. A segment on chromosome 9 was also very similar to the previously reported duplicated fragments on the ends of chromosomes 11 and 12 which were also detected in this study, indicating a likely common origin. Moreover, the various degrees of distributional similarity of the segments suggest a complex relationship among the chromosomes in the evolution of the rice genome. These results support the proposition that chromosome duplication and diversification may be a mechanism for the origin and evolution of the chromosomes in the rice genome.     

A chromosome 5-specific repetitive DNA sequence in rice (Oryza sativa L)

Repetitive DNA sequences in the rice genome comprise more than half of the nuclear DNA. The isolation and characterization of these repetitive DNA sequences should lead to a better understanding of rice chromosome structure and genome organization. We report here the characterization and chromosome localization of a chromosome 5-specific repetitive DNA sequence. This repetitive DNA sequence was estimated to have at least 900 copies. DNA sequence analysis of three genomic clones which contain the repeat unit indicated that the DNA sequences have two sub-repeat units of 37 bp and 19 bp, connected by 30-to 90-bp short sequences with high similarity. RFLP mapping and physical mapping by fluorescence in situ hybridization (FISH) indicated that almost all copies of the repetitive DNA sequence are located in the centromeric heterochromatic region of the long arm of chromosome 5. The strategy for cloning such repetitive DNA sequences and their uses in rice genome research are discussed.     

水稻基因组中的节段重复

利用１３个多拷贝探针,研究水稻（Ｏｒｙｚａ ｓａｔｉｖａ Ｌ．）基因组第８、９、１１和１２染色体上的节段重复。由同一探针检测到的多拷贝位点通常位于不同染色体的相同部位。不同探针检测到的多拷贝位点在不同染色体上的位置顺序相同。第８种９染色体上的相同多拷贝位点的线性排列,提示这两条染色体在进行上可能来源于同一原始染色体。而第９染色体上的一个节段与前人报道的以及本研究进一步证实的第１１和第１２染色体短臂     

Distortion of quantitative genomic and expression hybridization by Cot-1 DNA: mitigation of this effect

Cross-hybridization of repetitive sequences in genomic and expression arrays is reported to be suppressed with repeat-blocking nucleic acids (C_ot-1 DNA). Contrary to expectation, we demonstrated that C_ot-1 also enhanced non-specific hybridization between probes and genomic targets. When added to target DNA, C_ot-1 enhanced hybridization (2.2- to 3-fold) to genomic probes containing conserved repetitive elements. In addition to repetitive sequences, C_ot-1 was found to be enriched for linked single copy (sc) sequences. Adventitious association between these sequences and probes distort quantitative measurements of the probes hybridized to desired genomic targets. Quantitative microarray hybridization studies using C_ot-1 DNA are also susceptible to these effects, especially for probes that map to genomic regions containing conserved repetitive sequences. Hybridization measurements with such probes are less reproducible in the presence of C_ot-1 than for probes derived from sc regions or regions containing divergent repeat elements, a finding with significant ramifications for genomic and expression microarray studies. We mitigated the requirement for C_ot-1 either by hybridizing with computationally defined sc probes lacking repeats or by substituting synthetic repetitive elements complementary to sequences in genomic probes.