三代测序重建玉米串联基因区间

发布日期：2019-03-19 浏览次数：2853

摘要

单倍型变异不仅包括SNPs，还包括插入、缺失，尤其是基因拷贝数的变异。然而进行个体基因组间的比较是很困难的，原因是传统测序方式得到的短读长不能准确地重建包含重复序列的染色体区域。玉米中存在一类能够降低种子含氮量的蛋白家族（α-玉米蛋白），之前研究利用BAC克隆重叠群分析目标区间中的基因拷贝数，在两种爱荷华州硬秆玉米自交系中的6个（30-500kb）区域检测到41-48个α-玉米蛋白基因。但是这种技术的工作量巨大而且花费很高。本文利用单分子实时测序技术，组装了软秆玉米自交系W22对应的6个染色体区域。为了验证这些组装的区域，本文还构建了W22的光学图谱来验证两者之间的一致性。利用W22的全长cDNAs序列，发现经过自动校正和组装后的PacBio序列的错误率小于0.1%。一些带有提前终止密码子的表达基因，散布在不表达的基因之间，产生特异基因型的差异表达。这些区域的序列和之前研究的硬秆玉米自交系对应的区域，表现出明显的不同。

材料方法

植物材料：玉米自交系（W22）；DNA提取：黑暗条件下生长的幼苗。

光学图谱：选择核酸内切酶Nt.BspQ1（GCTCTTC）作为标签。剪切的DNA分子着色：IrysPrep Reagent Kit。

测序平台：PacBio RS II，建库20ug DNA（20kb）。

研究结果

1、W22的全基因组测序及基因组光学图谱的构建

光学图谱：366 Gb（>100kb），207 Gb（>180kb），N50=280kb。组装：705 BNG contigs，N50=4.43Mb，最长16.2Mb。

光学图谱总长2.1Gb（不含由于重复序列导致组装失败）。标准化所有光学图谱长度后达到2.2Gb，占参考基因组B73（2.3G）的96%。

全基因组测序：128 SMRT cells（93.47G），40.7X，N50=7.7kb，最长的reads=47.824kb，一致性序列58.93G。去除低质量数据：N50=6.6kb，最长的reads=46.632kb。

W22 cDNAs来源：之前的研究报道。

2、zein基因对应染色体区间的组装

α-玉米蛋白基因在三种玉米自交系中的分布。

将W22 α-玉米蛋白基因位点的一致性序列比对参考基因组B73/BSSS53，不同长度和不同一致性的reads的数量。（四种不同颜色代表不同α-玉米蛋白基因簇位点）

光学图谱（蓝色），基因组组装contig（绿色）。Nt.BspQI酶切位点（黑线）。绿色线上有其他颜色的部分表示有组装的contig，不同颜色间的断点gap。

3、3种玉米之间的α-玉米蛋白基因区域的共线性分析

四个大的α-玉米蛋白基因（zein）位点的单倍型变异，zein基因的分布（红色带数字方框）；三种玉米间保守的区域（灰色线连接）；DNA转座子（绿色）；应答元件（蓝色）；转座子和应答元件中的插入序列（黑色）；巢式应答元件（灰色+粉色边框）。A,三种玉米在z1A1位点的单倍型变异。B,z1B位点硬秆玉米和软秆玉米的单倍型变异。C,W22的z1C1位点是另外两种玉米单倍型的重组类型。D,z1D位点是最早的有很多转座子插入的位点。