本文關(guān)鍵詞：牦牛基因組遺傳變異圖譜和高原適應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組研究

  更多相關(guān)文章： 牦牛 重測序 基因組變異圖譜 育種 高原適應(yīng) 基因表達

【摘要】：牦牛(Bos grunniens)是青藏高原的關(guān)鍵物種,也是世界上生存在高寒缺氧環(huán)境中的大型稀有家畜和中國特有畜種。千百年來,牦牛對維系藏民族的繁衍生息起著不可替代的作用,不僅為當(dāng)?shù)赜文撩裉峁┲�、食、住、行等最基本的生產(chǎn)與生活資料,也是藏傳佛教和藏文化傳承與發(fā)展的重要載體。然而由于長期過度的選育和純繁,導(dǎo)致現(xiàn)有家養(yǎng)牦牛品種的流失較為嚴(yán)重,尤其是與其抗病性、肉質(zhì)等相關(guān)性狀的退化已相當(dāng)嚴(yán)重,極大的影響了青藏高原及周邊地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性；因此對牦牛種質(zhì)和遺傳資源進行保護和利用將為今后牦牛優(yōu)良品種的培育提供重要基礎(chǔ)。此外,牦牛作為世界上生活在海拔最高處的哺乳動物,經(jīng)過長時間的自然選擇,對青藏高原地區(qū)惡劣的自然環(huán)境(如低氧、低溫、稀缺的食物)有著極強的適應(yīng)能力,使其成為研究極端環(huán)境適應(yīng)性的極佳模式物種。所以,在本文中我們主要針對以下兩個重要科學(xué)問題進行研究：(1)建立基因組水平、包含野生牦牛和家養(yǎng)牦牛遺傳資源的遺傳變異圖譜,為牦牛的育種研究和品種改良提供重要遺傳資源,并為牦牛和其他牛科物種的遺傳多樣性研究奠定基礎(chǔ)；(2)通過比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析,從基因表達調(diào)控的角度揭示牦牛適應(yīng)高原極端環(huán)境的分子機制。(1)牦�；蚪M遺傳變異圖譜我國擁有12個牦牛地方品種,但不同品種之間并無顯著差異,且在不斷地純繁下都存在品種退化的問題。與此同時,家養(yǎng)牦牛的野生祖先——野牦�，F(xiàn)今依然存活,是青藏高原珍貴的野生畜種資源,將野牦�；蛸Y源引入到家牦牛的品種改良中,能夠為新品種的開發(fā)和培育提供重要的遺傳資源,也是牦牛育種的關(guān)鍵方向。然而迄今為止,仍然沒有對牦�；蚪M水平的遺傳變異研究,限制了牦牛的遺傳和育種研究工作。在本研究中,我們利用最新算法對牦�；蚪M進行了優(yōu)化,將基因組序列N50從1.5M提升到了2.6M,完善了基因組序列的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,我們使用二代測序技術(shù)對三頭家養(yǎng)牦牛與三頭野生牦牛進行了平均覆蓋度為5×的全基因組測序,這些序列涵蓋了95%以上的牦牛基因組區(qū)域,通過分析我們共鑒定了838萬個單堿基突變(714萬個為首次發(fā)現(xiàn))、38萬個插入缺失和12萬個結(jié)構(gòu)變異。此外,我們發(fā)現(xiàn)家養(yǎng)牦牛和野生牦牛共享了大多數(shù)遺傳變異,且兩個群體之間的遺傳距離較近,說明牦牛馴化處于初期階段。利用這一遺傳變異圖譜我們鑒定了可能在家養(yǎng)牦牛中受選擇的區(qū)域,這些區(qū)域包含基因的功能主要與家養(yǎng)牦牛的免疫能力和性格有關(guān)。這些結(jié)果均以可視化的方式展現(xiàn)在牦牛數(shù)據(jù)庫中(http://me.lzu.edu.cn/yak/),能夠為牦牛遺傳多樣性和遺傳育種研究提供有價值的資源。(2)高原適應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組研究盡管目前已經(jīng)識別和鑒定了多個與低氧應(yīng)答相關(guān)的關(guān)鍵調(diào)控基因,但是這些研究僅僅停留在核酸序列水平的分析上,我們?nèi)匀粺o法得知這些基因的表達模式,以及由這些基因所組成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),使得這些研究成果難以應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究和臨床實踐。在本文中,我們對牦牛和其低海拔的近緣物種黃牛的四個組織：心臟、肝臟、腎臟和肺臟,進行了轉(zhuǎn)錄組測序,通過比較轉(zhuǎn)錄組分析,從轉(zhuǎn)錄調(diào)控水平和基因表達水平對牦牛適應(yīng)高原極端環(huán)境的分子機制做了深入的闡釋。研究發(fā)現(xiàn),牦牛基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控在如下幾個方面針對高原低氧環(huán)境發(fā)生了改變：(i)心臟和肺臟的表達模式上在兩個物種中具有較大的差異,其差異表達基因主要與心肌調(diào)節(jié),鈣離子轉(zhuǎn)運和造血干細胞通路ko04640等功能相關(guān)；我們推測牦牛主要通過神經(jīng)調(diào)節(jié)和體液調(diào)節(jié)兩個途徑共同作用(CHRNA3和SNCA),增強了心肌收縮功能,進而提高血氧運輸能力；(ii)牦牛在長期適應(yīng)高原的過程中,對肺動脈高壓和神經(jīng)興奮性中毒等低氧脅迫引發(fā)的疾病有預(yù)防能力,抑制血管平滑肌擴增的BMPR2和調(diào)節(jié)谷氨酸吸收的HIT、SLC1A1、 SLC1A2等差異表達基因在此過程中可能發(fā)揮了重要作用；(iii)與物質(zhì)能量代謝相關(guān)的基因和通路(核糖體通路ko03010、氧化磷酸化通路ko00190)在序列變異和表達調(diào)控兩個水平發(fā)生了顯著改變,這種變化與牦牛較高的代謝效率密切相關(guān),也為降低整個機體的氧氣消耗提供可能。
【關(guān)鍵詞】：牦牛 重測序 基因組變異圖譜 育種 高原適應(yīng) 基因表達
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S823.85
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 研究背景12-38
• 1.1 牦牛12-22
• 1.1.1 牦牛的起源與馴化12-16
• 1.1.2 牦牛的育種現(xiàn)狀16-19
• 1.1.3 牦牛的高海拔適應(yīng)研究19-22
• 1.2 家養(yǎng)動物育種的研究進展22-30
• 1.2.1 馴化與育種22-25
• 1.2.2 分子育種25-30
• 1.3 高海拔適應(yīng)機制的研究進展30-35
• 1.3.1 高海拔適應(yīng)的分子機制31-32
• 1.3.2 基因組學(xué)研究32-33
• 1.3.3 轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究33-35
• 1.4 研究意義和科學(xué)問題35-38
• 1.4.1 牦�；蚪M遺傳變異圖譜37
• 1.4.2 牦牛高海拔適應(yīng)的分子機制37-38
• 第二章 材料與方法38-51
• 2.1 牦�；蚪M遺傳變異圖譜38-47
• 2.1.1 牦牛基因組的升級38-42
• 2.1.2 樣品采集與DNA測序42
• 2.1.3 全基因組遺傳變異的鑒定42-45
• 2.1.4 群體基因組學(xué)分析45-46
• 2.1.5 遺傳變異圖譜的可視化46-47
• 2.2 牦牛高海拔適應(yīng)的分子機制47-51
• 2.2.1 樣品采集與RNA測序47
• 2.2.2 差異表達分析47-48
• 2.2.3 組織間表達相關(guān)性比較48-49
• 2.2.4 多組織差異表達基因49-51
• 第三章 研究結(jié)果51-73
• 3.1 牦�；蚪M遺傳變異圖譜51-62
• 3.1.1 基因組組裝與注釋51-52
• 3.1.2 樣品采集與測序52-54
• 3.1.3 全基因組遺傳變異54-58
• 3.1.4 群體基因組學(xué)分析58-60
• 3.1.5 遺傳變異圖譜的可視化60-62
• 3.3 牦牛高海拔適應(yīng)的分子機制62-73
• 3.3.1 樣品采集以及轉(zhuǎn)錄組測序62
• 3.3.2 表達模式分析62-65
• 3.3.3 差異表達基因65-69
• 3.3.4 多組織差異表達基因69-73
• 第四章 討論73-85
• 4.1 牦�；蚪M遺傳變異圖譜73-79
• 4.1.1 基因組的升級73-74
• 4.1.2 家養(yǎng)牦牛與野生牦牛的遺傳分化74-75
• 4.1.3 家養(yǎng)牦牛的馴化75-77
• 4.1.4 遺傳變異圖譜和分子育種77-79
• 4.2 牦牛高海拔適應(yīng)的分子機制79-83
• 4.2.1 牦牛與黃牛表達模式的差異79-80
• 4.2.2 差異表達基因?qū)Φ脱趺{迫的應(yīng)答80-81
• 4.2.3 多組織差異表達基因81-83
• 4.3 總結(jié)與展望83-85
• 參考文獻85-98
• 在學(xué)期間的研究成果98-99
• 致謝99

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