Phân tích chuỗi DNA so sánh của các EST lúa mì đã được lập bản đồ cho thấy sự phức tạp của mối quan hệ giữa genome lúa và lúa mì

Springer Science and Business Media LLC - Tập 4 - Trang 34-46 - 2004
Mauricio La Rota1, Mark E. Sorrells1
1Department of Plant Breeding, 252 Emerson Hall, Cornell University, Ithaca, USA

Tóm tắt

Việc sử dụng genomics so sánh dựa trên chuỗi DNA cho các nghiên cứu tiến hóa và chuyển giao thông tin từ các loài mô hình sang các loài có bộ gen lớn liên quan đã cách mạng hóa di truyền phân tử và các chiến lược nhân giống nhằm cải thiện những loại cây này. Các phương pháp phân tích chuỗi so sánh có thể được sử dụng để tham chiếu chéo các gen giữa các bản đồ loài, tăng cường độ phân giải của các bản đồ so sánh, nghiên cứu các mô hình tiến hóa gen, xác định các vùng bảo tồn trong bộ gen, và tạo thuận lợi cho việc nhân bản gen giữa các loài. Trong nghiên cứu này, 5,780 EST Triticeae đã được lập bản đồ vật lý sử dụng các dòng khuyết tật lúa mì (Triticum aestivum L.) và các quần thể phân ly đã được so sánh bằng cách sử dụng NCBI BLASTN với bản nháp đầu tiên của dữ liệu chuỗi genome lúa công khai (Oryza sativa L.) từ 3,280 BAC/PAC clones đã được sắp xếp. Một cái nhìn về genome lúa cho thấy các vị trí genome đồng hợp lúa mì dựa trên phân tích chuỗi cho thấy sự tương đồng chung với các bản đồ so sánh đã được công bố trước đó dựa trên phân tích Southern của RFLP. Đối với hầu hết các nhiễm sắc thể lúa, có một sự vượt trội của các gen lúa mì từ một hoặc hai nhiễm sắc thể lúa mì. Các vị trí vật lý của các vùng không được bảo tồn không nhất quán giữa các nhiễm sắc thể lúa. Một số EST lúa mì với nhiều vị trí genome lúa mì liên quan đến các vùng không được bảo tồn của sự tương đồng giữa lúa và lúa mì. Cái nhìn đảo ngược, cho thấy mối quan hệ giữa bản đồ khuyết tật lúa mì và chuỗi genome lúa, đã tiết lộ sự đổ vỡ của nội dung và thứ tự gen ở độ phân giải được cung cấp bởi các khuyết tật nhiễm sắc thể vật lý trong genome lúa mì. Trung bình, 35% của các gen dự đoán là bản sao đơn đã được lập bản đồ đến các thùng giữ gìn nhất đã khớp với các nhiễm sắc thể lúa khác ngoài nhiễm sắc thể tương tự nhất. Điều này cho thấy đã xảy ra một lượng lớn các thay đổi, chèn, xóa, và sao chép làm xói mòn mối quan hệ genome lúa-lúa mì có thể gây phức tạp cho việc sử dụng lúa như một mô hình để chuyển giao thông tin giữa các loài trong các vùng không được bảo tồn.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Ahn S, Anderson JA, Sorrells ME, Tanksley SD (1993) Homoeologous relationships of rice, wheat and maize chromosomes. Mol Gen Genet 241:483–490 Altschul SF, Madden TL, Schaffer AA, Zhang J, Zhang Z, Miller W, Lipman DJ (1997) Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res 25:3389–3402 Anderson JA, Ogihara Y, Sorrells ME, Tanksley SD (1992) Development of a chromosomal arm map for wheat based on RFLP markers. Theor Appl Genet 83:1035–1043 Appels R, Francki M, Chibbar R (2003) Advances in cereal functional genomics. Funct Integr Genomics 3:1–24 Barnes S (2002) Comparing Arabidopsis to other flowering plants. Curr Opin Plant Biol 5:128–134 Bennetzen JL (2002) Mechanisms and rates of genome expansion and contraction in flowering plants. Genetica 115:29–36 Bennetzen JL, Ma J (2003) The genetic colinearity of rice and other cereals on the basis of genomic sequence analysis. Curr Opin Plant Biol 6:128–133 Bennetzen JL, Ramakrishna W (2002) Numerous small rearrangements of gene content, order and orientation differentiate grass genomes. Plant Mol Biol 48:821–827 Benson DA, Karsch-Mizrachi I, Lipman DJ, Ostell J, Wheeler DL (2003) GenBank. Nucleic Acids Res 31:23–27 Chen J, Gustafson JP (1997) Chromosomal rearrangement of wheat (T. aestivum) chromosome 4A by in situ hybridization. Chin J Genet 24:39–47 Coe E, Cone K, McMullen M, Chen SS, Davis G, Gardiner J, Liscum E, Polacco M, Paterson A, Sanchez-Villeda H, Soderlund C, Wing R (2002) Access to the maize genome: an integrated physical and genetic map. Plant Physiol 128:9–12 Delaney DE, Nasuda S, Endo TR, Gill BS, Hulbert SH (1995a) Cytologically based physical maps of the group 3 chromosomes of wheat. Theor Appl Genet 91:780–782 Delaney DE, Nasuda S, Endo TR, Gill BS, Hulbert SH (1995b) Cytologically based physical maps of the group-2 chromosomes of wheat. Theor Appl Genet 91:568–573 Devos KM, Gale MD (1997) Comparative genetics in the grasses. Plant Mol Biol 35:3–15 Devos KM, Gale MD (2000) Genome relationships: the grass model in current research. Plant Cell 12:637–646 Dubcovsky J, Luo M-C, Zhong G-Y, Bransteiter R, Desai A, Kilian A, Kleinhofs A, Dvorak J (1996) Genetic map of diploid wheat, Triticum monococcum L., and its comparison with maps of Hordeum vulgare L. Genetics 143:983–999 Endo TR, Gill BS (1996) The deletion stocks of common wheat. J Hered 87:295–307 Feng Q, Zhang Y, Hao P, Wang S, Fu G, Huang Y, Li Y, Zhu J, Liu Y, Hu X, Jia P, Zhao Q, Ying K, Yu S, Tang Y, Weng Q, Zhang L, Lu Y, Mu J, Zhang LS, Yu Z, Fan D, Liu X, Lu T, Li C, Wu Y, Sun T, Lei H, Li T, Hu H, Guan J, Wu M, Zhang R, Zhou B, Chen Z, Chen L, Jin Z, Wang R, Yin H, Cai Z, Ren S, Lv G, Gu W, Zhu G, Tu Y, Jia J, Chen J, Kang H, Chen X, Shao C, Sun Y, Hu Q, Zhang X, Zhang W, Wang L, Ding C, Sheng H, Gu J, Chen S, Ni L, Zhu F, Chen W, Lan L, Lai Y, Cheng Z, Gu M, Jiang J, Li J, Hong G, Xue Y, Han B (2002) Sequence and analysis of rice chromosome 4. Nature 420:316–320 Foote T, Roberts M, Kurata N, Sasaki T, Moore G (1997) Detailed comparative mapping of cereal chromosome regions corresponding to the Ph1 locus in wheat. Genetics 147:801–807 Fu H, Dooner HK (2002) Intraspecific violation of genetic colinearity and its implications in maize. Proc Natl Acad Sci USA 99:9573–9578 Gale MD, Devos KM (1998) Comparative genetics in the grasses. Proc Natl Acad Sci USA 95:1971–1974 Gill KS, Gill BS, Endo TR, Boyko EV (1996a) Identification and high-density mapping of gene-rich regions in chromosome Group 5 of wheat. Genetics 143:1001–1012 Gill KS, Gill BS, Endo TR, Taylor T (1996b) Identification and high-density mapping of gene-rich regions in chromosome group 1 of wheat. Genetics 144:1883–1891 Goff SA, Ricke D, Lan T-H, Presting G, Wang R, Dunn M, Glazebrook J, Sessions A, Oeller P, Varma H, Hadley D, Hutchison D, Martin C, Katagiri F, Lange BM, Moughamer T, Xia Y, Budworth P, Zhong J, Miguel T, Paszkowski U, Zhang S, Colbert M, Sun W-l, Chen L, Cooper B, Park S, Wood TC, Mao L, Quail P, Wing R, Dean R, Yu Y, Zharkikh A, Shen R, Sahasrabudhe S, Thomas A, Cannings R, Gutin A, Pruss D, Reid J, Tavtigian S, Mitchell J, Eldredge G, Scholl T, Miller RM, Bhatnagar S, Adey N, Rubano T, Tusneem N, Robinson R, Feldhaus J, Macalma T, Oliphant A, Briggs S (2002) A draft sequence of the rice genome (Oryza sativa L. ssp. japonica). Science 296:92–100 Hohmann U, Endo TR, Gill KS, Gill BS (1994) Comparison of genetic and physical maps of group 7 chromosomes from Triticum aestivum L. Mol Gen Genet 245:644–653 Kellogg EA (2001) Evolutionary history of the grasses. Plant Physiol 125:1198–1205 Kimber G, Sears ER (1979) Uses of wheat aneuploids. Basic Life Sci 13:427–443 Li W, Gill BS (2002) The colinearity of the Sh2/A1 orthologous region in rice sorghum and maize is interrupted and accompanied by genome expansion in the Triticeae. Genetics 160:1153–1162 Matthews DE, Carollo VL, Lazo GR, Anderson OD (2003) GrainGenes, the genome database for small-grain crops. Nucleic Acids Res 31:183–186 McPherson JD, Marra M, Hillier L, Waterston RH, Chinwalla A, Wallis J, Sekhon M, Wylie K, Mardis ER, Wilson RK, Fulton R, Kucaba TA, Wagner-McPherson C, Barbazuk WB, Gregory SG, Humphray SJ, French L, Evans RS, Bethel G, Whittaker A, Holden JL, McCann OT, Dunham A, Soderlund C, Scott CE, Bentley DR, Schuler G, Chen HC, Jang W, Green ED, Idol JR, Maduro VV, Montgomery KT, Lee E, Miller A, Emerling S, Kucherlapati, Gibbs R, Scherer S, Gorrell JH, Sodergren E, Clerc-Blankenburg K, Tabor P, Naylor S, Garcia D, de Jong PJ, Catanese JJ, Nowak N, Osoegawa K, Qin S, Rowen L, Madan A, Dors M, Hood L, Trask B, Friedman C, Massa H, Cheung VG, Kirsch IR, Reid T, Yonescu R, Weissenbach J, Bruls T, Heilig R, Branscomb E, Olsen A, Doggett N, Cheng JF, Hawkins T, Myers RM, Shang J, Ramirez L, Schmutz J, Velasquez O, Dixon K, Stone NE, Cox DR, Haussler D, Kent WJ, Furey T, Rogic S, Kennedy S, Jones S, Rosenthal A, Wen G, Schilhabel M, Gloeckner G, Nyakatura G, Siebert R, Schlegelberger B, Korenberg J, Chen XN, Fujiyama A, Hattori M, Toyoda A, Yada T, Park HS, Sakaki Y, Shimizu N, Asakawa S, et al (2001) A physical map of the human genome. Nature 409:934–941 Mickelson-Young L, Endo TR, Gill BS (1995) A cytogenetic ladder-map of the wheat homoeologous group-4 chromosomes. Theor Appl Genet 90:1007–1011 Moore G, Roberts M, Aragon-Alcaide L, Foote T (1997) Centromeric sites and cereal chromosome evolution. Chromosoma 35:17–23 Naranjo T, Roca P, Goicoechea PG, Giraldez R (1987) Arm homoeology of wheat and rye chromosomes. Genome 29:873–882 Osborn TC, Pires JC, Birchler JA, Auger DL, Chen ZJ, Lee HS, Comai L, Madlung A, Doerge RW, Colot V, Martienssen RA (2003) Understanding mechanisms of novel gene expression in polyploids. Trends Genet 19:141–147 Ramakrishna W, Dubcovsky J, Park YJ, Busso C, Emberton J, SanMiguel P, Bennetzen JL (2002) Different types and rates of genome evolution detected by comparative sequence analysis of orthologous segments from four cereal genomes. Genetics 162:1389–1400 Rice Chromosome 10 Sequencing Consortium (2003) In-depth view of structure, activity, and evolution of rice chromosome 10. Science 300:1566–1569 Sarma RN, Fish L, Gill BS, Snape JW (2000) Physical characterization of the homoeologous Group 5 chromosomes of wheat in terms of rice linkage blocks, and physical mapping of some important genes. Genome 43:191–198 Sears ER (1952) Misdivision of univalents in common wheat. Chromosoma 4:535–550 Sears ER (1954) The aneuploids of common wheat. Univ Mo Agric Exp Stn Res Bull 572:1–58 Sears ER (1966) Nullisomic-tetrasomic combinations in hexaploid wheat. In: Riley R, Lewis KR (eds) Chromosome manipulations and plant genetics: the contributions to a symposium held during the Tenth International Botanical Congress, Edinburgh, 1964. Plenum Press, New York, p vii Sears ER (1976) Genetic control of chromosome pairing in wheat. Annu Rev Genet 10:31–51 Sears ER, Miller TE (1985) The history of Chinese Spring wheat. Cereal Res Comm 13:261–263 Sears ER, Sears MS (1978) The telocentric chromosomes of common wheat. In: Ramanujam S (ed) Proceedings of the 5th international wheat genetics symposium of the Indian society of genetics and plant breeding, New Delhi, India, pp 389–407 Sorrells ME, La Rota M, Bermudez-Kandianis CE, Greene RA, Kantety RV, Munkvold JD, Miftahudin, Mahmoud A, Ma X, Gustafson PJ, Qi LL, Echalier B, Gill BS, Matthews DE, Lazo GR, Chao S, Anderson OD, Edwards H, Linkiewicz AM, Dubcovsky J, Akhunov ED, Dvorak J, Zhang D, Nguyen HT, Peng J, Lapitan NLV, Gonzalez-Hernandez JL, Anderson JA, Hossain K, Kalavacharla V, Kianian SF, Choi DW, Close TJ, Dilbirligi M, Gill KS, Steber C, Walker-Simmons MK, McGuire PE, Qualset CO (2003) Comparative DNA sequence analysis of wheat and rice genomes. Genome Res 13:1818–1827 Tarchini R, Biddle P, Wineland R, Tingey S, Rafalski A (2000) The complete sequence of 340 kb of DNA around the rice Adh1-Adh2 region reveals interrupted colinearity with maize chromosome 4. Plant Cell 12:381–391 Tikhonov AP, SanMiguel PJ, Nakajima Y, Gorenstein NM, Bennetzen JL, Avramova Z (1999) Colinearity and its exceptions in orthologous adh regions of maize and sorghum. Proc Natl Acad Sci USA 96:7409–7414 Van Deynze AE, Nelson JC, Yglesias ES, Harrington SE, Braga DP, McCouch SR, Sorrells ME (1995) Comparative mapping in grasses. Wheat relationships. Mol Gen Genet 248:744–754 Weng Y, Tuleen NA, Hart GE (2000) Extended physical maps and a consensus physical map of the homoeologous group-6 chromosomes of wheat (Triticum aestivum L. em Thell.). Theor Appl Genet 100:519–527 Werner JE, Endo TR, Gill BS (1992) Toward a cytogenetically based physical map of the wheat genome. Proc Natl Acad Sci USA 89:11307–11311 Wilson WA, Harrington SE, Woodman WL, Lee M, Sorrells ME, McCouch SR (1999) Inferences on the genome structure of progenitor maize through comparative analysis of rice, maize and the domesticated panicoids. Genetics 153:453–473 Wu J, Kurata N, Tanoue H, Shimokawa T, Umehara Y, Yano M, Sasaki T (1998) Physical mapping of duplicated genomic regions of two chromosome ends in rice. Genetics 150:1595–1603 Wu J, Maehara T, Shimokawa T, Yamamoto S, Harada C, Takazaki Y, Ono N, Mukai Y, Koike K, Yazaki J, Fujii F, Shomura A, Ando T, Kono I, Waki K, Yamamoto K, Yano M, Matsumoto T, Sasaki T (2002) A comprehensive rice transcript map containing 6591 expressed sequence tag sites. Plant Cell 14:525–535 Yan L, Loukoianov A, Tranquilli G, Helguera M, Fahima T, Dubcovsky J (2003) Positional cloning of the wheat vernalization gene VRN1. Proc Natl Acad Sci USA 100:6263–6268 Zhang Z, Schwartz S, Wagner L, Miller W (2000) A greedy algorithm for aligning DNA sequences. J Comput Biol 7:203–214