不同甘蔗着丝粒DNA序列的组成、结构与演化分析

Centromere is an essential functional unit which is responsible for the faithful separation of chromosome during cell division in eukaryotes. Thus, centromere plays an important role in cell division and polyploidization. Centromeric DNA is composed of repetitive sequences, which are highly variable among different species. It thus causes the isolation and sequencing of whole centromere DNA remaining a challenge by current sequencing technologies and other approaches such as comparative analysis. The centromere DNAs remains a gap in most published genome references. This situation also causes the enigma of mechanism of centromere biology. Sugarcane is the most important sugar crop in the world. The highly diversed polyploid level for different sugarcanes provide us excellent materials for the study of genome polyploidization. In this study, we will conduct the isolation of centromeric DNAs from different sugarcane species using the method of chromatin immunoprecipitation against CENH3 which is a centromeric specific histone. We will explore the mechanism of centromeric evolution and polyploidization in sugarcane. The results will provide database for the genome assembly of sugarcane as well as the mechanisms of polyploidization and female restitution (2n+n) in modern sugarcane breeding.

着丝粒是直接参与真核生物有丝与减数分裂过程中染色体分离的重要功能元件，因此，在细胞分裂及基因组倍性演化中扮演着重要角色。但着丝粒DNA主要由重复序列组成且物种间呈高度变异，因此，现有测序技术以及比较基因组等方法难以获得其完整信息。这也导致现有已测序物种着丝粒序列的缺失，同时也阻碍了着丝粒演化及基因组多倍化等机制的深入研究与揭示。甘蔗是重要糖料作物，甘蔗属物种丰富的倍性差异是倍性演化研究的优良材料。本课题拟以不同甘蔗种材料为对象，采用着丝粒特异组蛋白染色质免疫沉淀并结合高通量测序（ChIP-seq）方法，发掘不同甘蔗着丝粒DNA；解析不同甘蔗着丝粒DNA的组成与结构；通过比较分析，揭示甘蔗着丝粒演化形成的机制；并探索甘蔗多倍化进程线索。本研究希望通过着丝粒序列的发掘与分析，为甘蔗基因组测序提供着丝粒部分信息，为甘蔗多倍化及现代甘蔗品种高倍性遗传（如2n+n）机制的揭示提供线索。

着丝粒是真核生物细胞分裂过程中染色体分离所必需的功能元件。发掘并比较不同甘蔗材料着丝粒DNA，对于揭示甘蔗高倍性及非整倍性基因组的形成与演化有着重要的研究价值，对于现代甘蔗育种有着潜在指导意义。本研究中，我们解析了甘蔗割手密种、热带种和大茎野生种的着丝粒序列；经过比较分析，发现甘蔗不同种间着丝粒存在着一个高度相似的串联重复SCEN，显示了其具有古老的起源，是着丝粒的重要组成。以热带种为重点，分析发现该序列存在四类变异体CentS1-S4。有意思的是，它们在染色体上的定位存在着巨大差异，暗示来自不同的起源。此外，我们发现三个着丝粒反转录转座子的串联重复序列（So103，So119 和So137），序列分析表明两端存在着正向重复序列，暗示这些重复序列可能产生于染色体外环状DNA介导形成的串联重复序列。这一结果为着丝粒序列的起源提出了一种新的线索和思路。核小体结合分析显示，CentS重复序列与CenH3核小体都呈现类似的结合绑定模式，表明这些着丝粒重复序列几乎都与CenH3核小体相关。同时发现不同CentS重复序列中与CenH3核小体结合的DNA区域不同。相反，新产生的三个来自着丝粒反转录转座子的串联重复序列还未形成固定模式的核小体绑定模式，说明其还处于着丝粒序列演化的早期阶段。