Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


Экспрессия генов у сосны сибирской кедровой (Pinus sibirica Du Tour.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris Ledeb.) с аномальным морфогенезом кроны

Работа №22956

Тип работы

Главы к дипломным работам

Предмет

биология

Объем работы29
Год сдачи2018
Стоимость7300 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
303
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ВВЕДЕНИЕ 4
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 7
1. Аномальный морфогенез кроны у сосновых 7
1.1. Паразитарные ВМ 7
1.2. Непаразитарные ВМ 8
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 12
1. Получение данных 12
2. Фильтрация прочтений 13
3. Получение и модификации транскриптомных сборок 15
4. Экспрессия генов 17
5. Поиск однонуклеотидных полиморфизмов (ОНП) 19
РЕЗУЛЬТАТЫ 21
1. Транскриптомные сборки 21
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 28
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 30


Диссертационная работа посвящена изучению дифференциальной экспрессии генов у сосны сибирской кедровой (Pinus sibirica Du Tour.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris Ledeb.) с аномальным морфогенезом кроны. Была предпринята попытка найти генетические механизмы, обуславливающие образование «ведьминых метел» (ВМ) - фрагментов кроны растения с аномальным морфогенезом. Предположительно, такие локальные системы ветвления с замедленным ростом и интенсивным ветвлением могут возникать ввиду соматических мутаций в меристеме побегов растения.
Цель работы — поиск дифференциально экспрессируемых генов и нуклеотидных замен, потенциально связанных с аномальным морфогенезом кроны у сосны сибирской и сосны обыкновенной. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
• получить транскриптомные сборки сосны сибирской кедровой и сосны обыкновенной;
• выявить гены с различиями в уровне экспрессии между исследуемыми образцами и описать закономерности взаимодействия таких генов;
• провести поиск точечных мутаций, коротких вставок и делеций, которые могут привести к отклонениям в процессе морфогенеза.
В настоящее время селекция хвойных пород в России осуществляется по нескольким направлениям: на быстроту роста и продуктивности лиственницы, ели, сосны, пихты и можжевельника; на смолопродуктивность сосны; на урожайность кедровых сосен; на резонансную способность (звуковые качества) древесины ели; на декоративность и устойчивость к промышленным выбросам сосны, ели, лиственницы, пихты, можжевельника, тсуги и др.
Перспективный и многообещающий путь — поиск соматических мутаций у хвойных. Характерные признаки ВМ, замедленный рост и обильное ветвление не являются полезными для селекции хвойных как источника древесины, но фенотип ВМ привлекателен для селекции на урожайность. Так как кедровые сосны являются одним их важнейших орехоплодных видов, актуальна их селекция на низкорослость и скороплодность. ВМ незаменимы как исходный генетический материал для таких селекционных программ, ведь некоторые такие деревья обладают ценными признаками: высокой жизнеспособностью, замедленным апикальным ростом, скороплодностью, обильным плодоношением и нормальным качеством шишек. Многообразие форм «ведьминых метел» дает селекционерам большие возможности для выведения различных декоративных сортов хвойных, которые успешно выращиваются в ботанических садах и используются в ландшафтном дизайне.
Исследователи отмечают важность понимания механизмов образования мутационных ВМ для дальнейшей селекции и формирования банка клонов, однако уровень изученности мутационных «ведьминых метел» до сих пор остается крайне низким.
Кроме того, апикальное доминирование является характерной чертой деревьев и изучение механизмов его определяющих является фундаментальной биологической проблемой. В связи с этим ВМ являются прекрасной моделью для изучения этих механизмов.
В данной работе помимо установления структуры различий между нормальной кроной (НК) и ВМ, а также структуры разнообразия последних, с помощью оценки дифференциальной экспрессии генов в парах ВМ/НК была предпринята попытка установить, в какой функциональной части генома произошло нарушение, приводящее к формированию ВМ. Секвенирование транскриптома дает наиболее полную информацию о содержании транскриптов в клетках. Белки, синтезирующиеся благодаря РНК, отвечают за формирование признаков анатомии и физиологии организма, поэтому расшифровка транскриптома является первым ключевым шагом к пониманию природы мутационных ВМ.
Для исследования в качестве объектов были выбраны клоны двух видов, ВМ которых существенно различаются между собой — сосна сибирская кедровая и сосна обыкновенная. Возможно, в формировании фенотипа ВМ у этих видов могут быть задействованы разные, хотя и подобные по проявлению механизмы. Сравнительный анализ дифференциальной экспрессии генов может показать, произошли ли изменения на одном участке генома, или же это соматическая мутация имеет однотипную природу.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

Были получены транскриптомные сборки сосны сибирской кедровой (впервые для данного вида) и сосны обыкновенной длиной 218 314 180 н.о. и 116 712 954 н.о. соответственно. Для сосны обыкновенной полнота сборки, согласно представленности генов-ортологов высших растений, составила 75,3%, для кедра - 77,9%, достигнут минимальный уровень дуплицированности транскриптов.
В транскриптоме сосны обыкновенной найдено 7 генов с различиями в уровне экспрессии между образцами ВМ и НК, два с пониженным уровнем экспрессии и 5 с повышенным. Была проведена структурная и функциональная аннотация этих генов, выявлены гены, ответственные за формирование ответа на патогенную инвазию.
В транскриптоме сосны сибирской кедровой было обнаружено 10 дифференциально экспрессирующихся генов, 6 с повышенным уровнем экспрессии и 4 с пониженным. Достоверно определить функции этих генов не удалось.
В образцах ВМ сосны сибирской кедровой обнаружено 5 однонуклеотидных полиморфизмов, потенциально ответственных за формирование аномальных фенотипических признаков. Из них четыре находятся в кодирующих регионах и вызывают несинонимичные замены, приводящие к изменению аминокислотного состава белка.
Проделанная работа является частью проекта ««Ведьмины метлы» мутационного происхождения у российских видов Pinus:характер разнообразия и молекулярно -генетическая природа» Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (руководитель с.н.с., к.б.н. Е. А. Жук, соруководитель проф. К. В. Крутовский), финансируемого Российским Фондом Фундаментальных Исследований (РФФИ) в рамках Программы инициативных проектов (грант № 16-04-00440).
Магистерская диссертация выполнена в лаборатории лесной геномики СФУ и базовой кафедры защиты и современных технологий мониторинга лесов (зав. каф. д.б.н. И. Е. Ямских) в рамках проекта «Геномные исследования основных бореальных лесообразующих хвойных видов и их наиболее опасных патогенов в Российской Федерации», руководимого проф. К. В. Крутовским и финансируемого Правительством РФ (договор №14.Y26.31.0004).
Автор выражает искреннюю благодарность Н. В. Орешковой за пробоподготовку и секвенирование, Д. А. Кузьмину и В. В. Шарову за помощь в сборке транскриптома, Ю. А. Путинцевой, М. Г. Садовскому и К. В. Крутовскому за помощь в компьютерном анализе, за идею исследования и общее руководство на всех этапах работы. Также автор выражает благодарность всем членам лаборатории лесной геномики за участие в обсуждении работы, помощь и ценные советы.



1. Bendix, C., Lewis, J. D. The enemy within: phloem-limited pathogens // Molecular Plant Pathology. - 2016. doi:10.1111/mpp.12526.
2. Costa, G.G. et al. The mitochondrial genome of Moniliophthora roreri, the frosty pod rot pathogen of cacao // Fungal Biol. - 2012. - 116(5). Pp. 551-62. doi: 10.1016/j.funbio.2012.01.008.
3. Ishii, Y. et al. Process of reductive evolution during 10 years in plasmids of a non-insect-transmissible phytoplasma // Gene. - 2009. - 446(2). Pp. 51-7. doi: 10.1016/j.gene.2009.07.010.
4. Gildemberg, A. L. et al. Searching for Moniliophthora perniciosa pathogenicity
genes // Fungal Biology. - 2010. - 114(10). Pp 842-854. doi:
10.1016/j.funbio.2010.07.009.
5. Loguercio, L. L. et al. Selection of Trichoderma stromaticum isolates for efficient biological control of witches' broom disease in cacao // Biological Control. - 2009. - 51(1). Pp. 130-139 doi:10. 1016/j.biocontrol.2009.06.005.
6. Ludwig-Muller, J. Bacteria and fungi controlling plant growth by manipulating auxin: Balance between development and defense // Journal of Plant Physiology. - 2015. - 172. Pp 4-12. doi: https://doi.org/10. 1016/j.jplph.2014.01.002.
7. Ямбуров, M. С. «Ведьмины метлы» кедра сибирского как спонтанные соматические мутации: встречаемость, свойства и возможности использования в селекционных программах/ М. С. Ямбуров, С. Н. Горошкевич // ХБЗ. - 2007. - №2-3.
8. Wittmack, L. Deutsche Garten-Zeitung // Wochenschrilt fur Gartner und Gartenfreunde. - 1886.
9. Zhuk, E., Vasilyeva, G. & Goroshkevich, S. Witches' broom and normal crown clones from the same trees of Pinus sibirica: a comparative morphological study // Trees. - 2015. doi:10. 1007/s00468-015-1 187-2.
10. Yamburov, M.S. &Titova, K. Needle anatomy of mutational witches' brooms of Siberian fir // World Applied Sciences Journal. - 2013. - 28(7) Pp. 909-913. • doi: 10.5829/idosi.wasj.2013.28.07.13834.
11. Vasilyeva, G. & Zhuk, E. Needle structure of mutational witches' brooms in
Pinus sibirica // Dendrobiology. - 2016. - 75(1). Pp. 79-85. doi: 10.12657/denbio.075.008.
12. Vrgoc, P. Witches' broom of Alep p o pine (Pinus halepensis Mill.) and its use for new ornamentals // Proceedings XX EUCARPIA Symposium. - 2002. - Part 2. Pp. 199-205.
13. Муратова, E. H., Седельникова, Т.С. Геномные и хромосомные мутации у сосны обыкновенной в экстремальных условиях произрастания / Е. Н. Муратова, Т. С. Седельникова // Хвойные бореальной зоны. - 2004. - Вып. 2. - С. 128-140.
14. Седельникова, Т.С. Кариологические особенности сосны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du Tour) на болотах Западной Сибири / Т.С. Седельникова, Е.Н. Муратова // Экология. - 2002. - № 5. - С. 323-328
15. Ye, L., Liu, L., Xing, A., Kang, D. Characterization of a dwarf mutant allele of Arabidopsis MDR-like ABC transporter AtPGP1 gene // Biochem Biophys Res Commun. - 2013. - 441(4). Pp. 782-6. doi: 10.1016/j.bbrc.2013.10.136.
16. Bolger, A. M., Lohse, M., &Usadel, B. Trimmomatic: A flexible trimmer for Illumina Sequence Data // Bioinformatics. - 2014.
17. Andrews, S. FastQC: a quality control tool for high throughput sequence data.
[Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http ://www.bioinformatic s. babraham. ac. uk/projects/fastq c.
18. Nicholas M. et al. Comparison of Three Magnetic Bead Surface Functionalities for RNA Extraction and Detection // Haselton ACS Applied Materials & Interfaces. - 2015. - 7(11). Pp. 6062-6069. doi: 10.1021/am506374t
19. Quast C., Pruesse E., Yilmaz P., Gerken J., S c hweer T., Yarza P., Peplies J., Glockner F .O. The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools // Nucl. Acids Res. - 2013. - 41(D1). Pp. D590¬D596.
20. NCBI Reference Sequence (RefSeq) project [Электронный ресурс]. - Режим доступа:https://www. ncbi. nlm. nih. gov/genome/organelle/
21. Langmead B, Salzberg S. Fast gapped-read alignment with Bowtie 2 // Nature Methods. - 2012. - 9. Pp. 357-359.
22. Grabherr MG, Haas BJ, Yassour M, Levin JZ, Thompson DA, Amit I, Adiconis X, Fan L, Raychowdhury R, Zeng Q, Chen Z, Mauceli E, Hacohen N, Gnirke A, Rhind N, di Palma F, Birren BW, Nusbaum C, Lindblad-Toh K, Friedman N, Regev A. Full-length transcriptome assembly from RNA-seq data without a reference genome // Nat Biotechnol. - 2011. - 29(7). doi: 10.1038/nbt.1883. PubMed PMID: 21572440.
23. Haas BJ, Papanicolaou A, Yassour M, Grabherr M, Blood PD, Bowden J, Couger MB, Eccles D, Li B, Lieber M, Macmanes MD, Ott M, Orvis J, Pochet N, Strozzi F, Weeks N, Westerman R, William T, Dewey CN, Henschel R, Leduc RD, Friedman N, Regev A. De novo transcript sequence reconstruction from RNA-seq using the Trinity platform for reference generation and analysis . // Nat Protoc. - 2013. - 8(8). Pp. 1494-512. doi: 10.1038/nprot.2013.084.
24. Felipe A. Simao, Robert M. Waterhouse, Panagiotis Ioannidis, Evgenia V. Kriventseva, and Evgeny M. Zdobnov. BUSCO: assessing genome assembly and annotation completeness with single-copy orthologs // Bioinformatics. - 2015. doi: 10. 1093/bioinformatics/btv351.
25. Zdobnov EM et al. OrthoDB v9.1: cataloging evolutionary and functional annotations for animal, fungal, plant, archaeal, bacterial and viral orthologs // NAR. - 2016.
26. EvidentialGene: Evidence Directed Gene Construction for Eukaryotes. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http ://arthropods. eugenes. org/EvidentialGene/.
27. S. Gotz et al. High-throughput functional annotation and data mining with the Blast2GO suite // Nucleic Acids Research. - 2008. - 36. Pp. 3420-3435.
28. Li B, Dewey CN. RSEM: accurate transcript quantification from RNA-Seq data with or without a reference genome // BMC Bioinformatics. - 2011. - 12. doi:10.1186/1471-2105-12-323.
29. Robinson, MD., and Smyth, GK. Small sample estimation of negative binomial dispersion, with applications to SAGE data // Biostatistics. - 2008. - 9. Pp. 321-332.
30. Chen Y, Lun ATL, and Smyth, GK. From reads to genes to pathways: differential expression analysis of RNA-Seq experiments using Rsubread and the edgeR quasi-likelihood pipeline // F 1000Research. - 2016. - 5. Pp. 1438.
31. Lund, S., Nettleton, D., McCarthy, D., and Smyth, G. Detecting differential expression in RNA-sequence data using quasi-likelihood with shrunken dispersion estimates // Statistical Applications in Genetics and Molecular Biology. - 2012. - 11(8).
32. McCarthy, D.J., Chen, Y., and Smyth, G.K. Differential expression analysis of multifactor RNA-Seq experiments with respect to biological variation // Nucleic Acids Research. - 2012. - 40. Pp.4288-4297.
33. Ashburner et al. Gene ontology: tool for the unification of biology // Nat Genet. - 2000. - 25(1). Pp. 25-9.
34. Li, H. A statistical framework for SNP calling, mutation discovery, association mapping and population genetical parameter estimation from sequencing data // Bioinformatics. - 2011. - 27(21). Pp. 2987-93.
35. Wachowiak W, Trivedi U, Perry A, Cavers S. Comparative transcriptomics of a complex of four European pine species // BMC Genomics. - 2015. - 16(1). Pp. 234. doi:10. 1 186/s12864-015-1401-z.
36. Open Reading Frame Finder. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https ://www. ncbi. nlm. nih. gov/orffinder/.


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.