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1、复旦大学 博士学位论文 利用QTL进行植物抗旱基因鉴定的生物信息方法和软件的设计与 实现 姓名：曾华宗 申请学位级别：博士 专业：生物信息学 指导教师：钟扬 20070412 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名 论文使用授权声明 日期：丑! 亟：垄 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或
2、部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：麓监 导师签名：日期：毋：丘! 利用Q T L 进行植物抗旱基因鉴定的生物信息学方法和软件的设计与实现 摘要 现阶段的植物遗传研究中，对控制复杂性状表达( 如抗早性状) 基因的研究被认 为是一项富有挑战，也十分重要的工作。作为一种研究基因组内的遗传变化和表 型变异的有效的方法，数量性状位点( Q u a n t i t a t i v et r a i tl o c u s ，Q T L ) 为控制复杂性 状的研究提供了一种行之有效的方法。本项研究利用生物信息学方法，通过对文 献发表的Q T L
3、相关的遗传信息进行整合，并在此基础上提出了一种基于Q T L 信息进 行新基因发掘的策略。同时，构建了一套用于查询Q T L I 叉f o 内的遗传信息的数据库 系统，以及一套可用于Q T L 分析的基因芯片数据分析软件，以期为植物数量性状 相关基因的发掘与研究提供一种有效的方法和方便的信息查询平台。 Q T L 定位的研究为我们提供了丰g 的Q T L 遗传信息。本研究首先收集了大量文 献中已经发表的Q T L 信息( 以抗逆性为例) ，构建T Q T L 数据库，并将这些Q T L 定 位到整合的，基于遗传距离和物理距离的染色体图谱上，并以此为基础设计了一 种利用E S T 和基因组信息对
4、Q T L 相关候选基因进行电子克隆的方法。选取了水稻染 色体1 ，2 ，4 ，8 * u 9 内定位到的Q T L 对上述方法进行验证，得至I J Q T L 相关的候选基 因，结果经实验验证，证实了该方法的有效性。 为了进一步Q 相关的候选基因进行鉴定和功能分析，我们将抗逆Q T L 数据 库及相关的候选基因发掘的方法进行了整合，并将其扩展到所有Q T L 相关性状的研 究中。在此基础上我们构建了一个用于查询、注释Q T L 相关的基因表达信息的数据 库查询系统P l a n t Q T L - G E 。该数据库整合了大量的基因、基因芯片表达信息、E S T ( e x p r e s
5、s e ds e q u e n c et a g s ) 和遗传标记数据，并通过一个统一的信息平台来对这些数 据进行管理和查询。用于帮助研究者找到他们感兴趣的Q T L P g 部的遗传信息，并利 用这些信息来进行Q T L 相关的候选基因的筛选和功能分析。该数据库支持用户通过 输入Q T L 两侧的遗传标记名称、Q T L 所对应的基因组物理位置两种方式进行检索， 查询结果包括了Q T L 区间相关的已知功能的基因、基因芯片数据、E S T 信息，未知 功能的候选基因以及其他物种内相似的候选基因。其中Q T L P j 部的候选基因还迸一 步的利用E S T 、生物芯片数据和预测的调控位点
6、信息进行了注释。该数据库目前可 以查询的物种包括水稻和拟南芥，可以通J 建h t t p ：w w w s c b i t o r g q t l 2 9 e n e n e w 网页来 利用Q T L 进行植物抗旱基因鉴定的生物信息学方法和软件的设计与实现 访问。 生物芯片技术是9 0 年代初才发展起来的一项新技术，已经在许多领域得到了 广泛的应用，但应用在植物数量性状的研究中还鲜有报道，相关的理论和方法还 比较匮乏。该项研究对利用芯片数据来进行Q T L 研究进行了探索，开发了一套利 用生物芯片数据进行Q T L 研究的分析软件。该软件用于进行植物相关的芯片数据 的生物信息学分析的软件系统
7、，目的是帮助研究者利用自己的芯片数据来进行 Q T L 相关的候选基因的发掘。该软件可以整合芯片数据和Q T L 数据，并进行综合 分析，目前该软件可以用于进行水稻和拟南芥的相关研究。其功能包括： 1 ) 将基因芯片差异基因和Q T L 信息整合到染色体物理图谱上。 2 ) 利用B L A S T 工具对差异表达基因进行染色体定位。 3 ) 对差异表达基因进行G O ( g e n eo n t o l o g y ) 分类。 利用Q T L 进行植物抗旱基因鉴定的生物信息学方法和软件的设计与实现 A b s t r a c t T h ed i s c o v e r yo fg e n e
8、 sc o n t r o l l i n gc o m p l e xt r a i t ss u c ha sd r o u g h tt o l e r a n c ei s c o n s i d e r e dt ob eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tc h a l l e n g e s Q u a n t i t a t i v eT r a i t L o c u s ( Q T L ) m a p p i n gm e t h o d sw e r ew i d e l ya p p l
9、 i e di nr e c e u ty e a r st oi d e n t i f y c a n d i d a t eg e n e sr e l a t e dt oc o m p l e xt r a i t s I nt h i ss t u d y ，as t r a t e g yi sd e s c r i b e dt o i d e n t i f yn o v e lg e n ef a m i l i e sb a s e do nQ T Li n f o r m a t i o nd e r i v e df r o mp u b l i s h e d l
10、i t e r a t u r e T h e n ，ad a t a b a s es y s t e mf o ri d e n t i f y i n gc a n d i d a t eg e n e si nr i c ea n d A r a b i d o p s i sb yg e n ee x p r e s s i o na n dQ T Li n f o r m a t i o ni sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d A m i c r o a r r a ya n a l y s i ss y s t e mf o r
11、m a p p i n gQ T La n dm i c r o a r r a yg e n ee x p r e s s i o nd a t ai s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d Q T L ss u c ha sd r o u g h t - r e l a t e dQ T L c a nb er e a d i l yi d e n t i f i e di na v a i l a b l ed a t a b a s e s a n dl i t e r a t u r e s T h e s ed r o u g h t
12、 r e l a t e dQ T L sw e r ec o l l e c t e da n di n t e g r a t e di n t oaQ T L d a t a b a s ea n ds t t m m a r i z e di nt h ef o r mo f ac o n s e n s u sm a p A ni ns i l i c os t r a t e g yw a st h e n d e p l o y e dt om i n ef o rc a n d i d a t eg e n e sa s s o c i a t e dw i t hQ T L
13、su s i n gr i c ed b E S Ta n dr i c e g e n o m ed a t a b a s e s Q T L so nr i c ec h r o m o s o m e s1 ，2 ，4 ，8 ，a n d9w e r es e l e c t e dt ot e s tt h e m e t h o d T h er e s u l ts h o w e dc a n d i d a t eg e n e sa s s o c i a t e dw i t hd r o u g h tt o l e r a n c ec o u l db e r e
14、a d i l yi d e n t i f i e da f t e re x p e r i m e n t a ld e t e c t i o n I no r d e rt of a c i l i t a t eQ T Lb a s e dc a n d i d a t eg e n ei d e n t i f i c a t i o na n dg e n ef u n c t i o n a n a l y s i s W eh a v ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e daw e b b a s e dd a t a b a
15、s es y s t e m ，c a l l e d P l a n t Q T L - G E ，W ec o l l e c t e dal a r g en u m b e ro fg e n e s ，g e n ee x p r e s s i o ni n f o r m a t i o ni n m i c r o a r r a yd a t aa n de x p r e s s e ds e q u e n c et a g s 饵S r s ) a n dg e n e t i cm a r k e r sf i o mm u t i p l e s o n r c e
16、 so fO r y z as a t i v aa n dA r a b i d o p s i st h a i i a n a T h es y s t e mi n t e g r a t e st h e s ed i v e r s e d a t as o u r c e sa n dh a sau n i f o r mw e bi n t e r f a c ef o re a s ya c c e s s I ts u p p o r t sQ T Lq u e r i e s s p e c i f y i n gQ T Lm a r k e ri n t e r v a l so rg e n o m i cl o c i ，a n dd i s p l a y s ，o nr i c eo rA r a b i d o p s i s g e n o m e ，k n o w ng e n e s ，m i c r o a r r a yd a t a ，E S T sa n dc
