水稻是世界上最重要的粮食作物,全球半数以上的人口以其为主食。因其具有特殊的生理生化特征和作为人类粮食作物的经济学意义,一直以来是基因组计划——高等植物基因组测序计划中的重要模式生物之一。自2000年以来,中科院北京基因组研究所采用全基因组霰弹(Shot-Gun)法测序,完成了中国超级杂交水稻亲本(93-11和PA64S)的全基因组序列“工作框架图”和基因“精细图”。在此基础上,我们对该两种水稻的线粒体基因组进行了序列完成图的组装,并分析了它们之间的序列多态性,基因组的进化,以及线粒体、叶绿体和细胞核基因组间的基因迁移。 (一)利用水稻全基因组测序序列中高质量的对线粒体基因组有着高覆盖度的线粒体基因组相关序列,我们完成了两种水稻的线粒体全基因组序列的组装,其中93-11是籼稻品种,PA64S是具有粳稻母本起源的籼型不育系品种,它们分别为中国超级杂交水稻两优培九(LYP9)的父本和母本;又利用Syngenta公司公布的水稻全基因组测序数据,我们完成了粳稻品种Nipponbare线粒体全基因组序列的组装。在基因组序列分析上,我们把水稻不同亚种水稻间的线粒体基因组序列多态性称为“亚种间差异”(intersubspecific variations);把水稻个体内线粒体基因组序列的多态性称为“种内差异(intravarital variations)”。该研究中,我们在水稻线粒体“亚种间差异”位点上确定了96个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)位点、25个插入和缺失(insertion and deletion,InDel)突变位点,和3个片段序列差异(segamental sequence variation,SSV)位点。从这些差异中我们选择了一些可以区别籼稻和粳稻的标记性位点,并在不同的水稻品种中做了广泛的实验验证。“亚种间差异”的数据表明线粒体基因组中单核苷酸多态性的平均发生率是0.02%,插入和缺失突变的平均发生率是0.006%,该两类序列多态性的平均发生频率分别为叶绿体基因组的2/5和1/3,为细胞核基因组的1/21和1/38。利用“亚种间差异”的单核苷酸多态性位点在基因组中发生的频率,我们估算了籼稻和粳稻线粒体基因组的分化时间大概是在9万到50万年以前。在93-11和PA64S两个个体中,“种内差异”的数据表明它们的线粒体基因组中单核苷酸多态性的平均发生率分别是1.26%和1.38%,插入和缺失平均发生率分别是1.13%和1.09%。对种内单核苷酸多态性位点两侧的核苷酸出现的频率进行分析,我们发现,发生单核苷酸突变的位点两侧的核苷酸有着明显的选择性偏好,特别是5’-端和3’-端紧挨突变位点上的核苷酸,它们存在非常明显的偏好性选择。
