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重复序列主要是指转座子序列和串联重复序列，其不仅在基因组进化过程中发挥着重要作用，而且在雌雄异株植物性染色体演化过程中扮演了重要角色。菠菜(Spinacia)属于雌雄异株植物，是研究植物性别决定与性别分化的模式材料，由于其既有同型性染色体的栽培种(Spinacia oleracea L.)，又有异型性染色体的野生种(S. tetrandra Stev.)，还有雌雄同株近缘种甜菜(Beta vulgaris L.)，这为探讨重复序列在性染色体演化中的作用提供了非常好的实验材料。本研究主要是利用菠菜属及其近缘种基因组重测序NGS(Next-Generation Sequencing)数据结合荧光原位杂交(Fluorescence in situ hybridization， FISH)技术，分析重复序列在菠菜属不同物种基因组中的分布特征，从而探讨其与性染色体进化之间的关系。主要研究结果如下：
1、利用RepeatExplorer软件平台和基因组重测序NGS(Next-Generation Sequencing)数据，阐明了重复序列在菠菜属植物雄性和雌性基因组之间的差异，在S.turkestanica，S.oleracea和S.tetrandra基因组之间的差异，以及在菠菜和它的近缘种甜菜基因组之间的差异。Angela、Bianca、SIRE、Tork、Athila、Ogre、CRM、Helitron和EnSpm_CACTA在菠菜和甜菜的基因组中差异显著，但是在S.turkestanica，S.oleracea和S.tetrandra基因组之间差异不显著；Galadriel在甜菜和菠菜属的三个不同种之间均具有差异显著，但是在菠菜每个种的雄性和雌性基因组之间差异不显著。菠菜雄性基因组中的SIRE、TAR、Ogre、CRM、Tekay、Helitron、EnSpm_CACTA、MuDR_Mutator和Satellite含量比雌性中的较高，但是差异不显著；而在雌性基因组中的Galadriel所占比例比雄性相对稍高，但是差异不显著；随着菠菜属中重复序列比例的增加，雄性基因组中Ale、Angela、Athila、Ogre和Retand的比例也在上升。S.tetrandra基因组中的重复序列所占比例平均为53.41％，高于S.oleracea(平均50.5％)和S.turkestanica(平均49.56％)的重复序列比例。菠菜基因组中的重复序列比例远高于甜菜。在菠菜基因组中，Ty3/Gypsy超家族的重复基因组比例高于Ty1/Copia，然而，在甜菜基因组中，Ty1/Copia的重复基因组比例是最丰富的。Ty3/Gypsy和Ty1/Copia的LTR逆转座子是组成重复序列的主要成分。在Ty1/Copia中，Angela占主导地位，占菠菜属物种中Ty1/Copia的94.97％以上。在甜菜基因组中，SIRE所占比例最大，占Ty1/Copia的71.44％；对Ty3/Gypsy的分析表明，Ogre是菠菜物种中最常见的类型，占基因组比例的69.28％。对于甜菜而言，Retand 和Tekay在Ty3/Gypsy中所占比例相对较大，分别占28.5和38.6％。
2、利用RepeatExplorer软件平台中的TAndemREpeatANalyzer(TAREAN)软件进行分析，结果表明菠菜和甜菜基因组中卫星DNA在基因组中所占比例约为0.3％，共存在15种高置信度卫星DNA，所鉴定的单体大小在这四个物种之间是可变的，范围为21bp?358bp。BvuSat01-59-s，BvuSat02-141-s，BvuSat03-141-s，BvuSat04-159-s，BvuSat05-329-s和BvuSat06-358-s仅存在于甜菜的基因组中，BvuSat07-358-s存在于甜菜和菠菜物种的基因组中，在三个菠菜属物种基因组中发现了SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179、SpSat04-324、SpSat05-141、StuSat01-158-s、SolSat01-171-s和SteSat01-99-s。其中SpSat02-52在S.tetrandra基因组中占3.500％，远高于S.turkestanica和S.oleracea基因组中所占比例。
3、利用荧光原位杂交技术，将以上所鉴定出的15个高置信度卫星DNA作为探针进行杂交，结果显示：BvuSat01-59-s、BvuSat02-141-s、BvuSat03-141-s、BvuSat04-159-s、BvuSat05-329-s、BvuSat06-358-s和BvuSat07-358-s仅在甜菜有丝分裂中期染色体上有信号，而在菠菜染色体上没有发现信号，SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179、SpSat04-324、SpSat05-141、StuSat01-158-s、SolSat01-171-s和SteSat01-99-s的荧光信号仅位于菠菜有丝分裂中期染色体上，在甜菜染色体上无信号分布。因此，卫星DNA序列在菠菜及其近缘种甜菜之间发生了明显的歧化。同时，我们还发现SpSat03-179、SpSat04-324、SpSat05-141、StuSat01-158-s和SolSat01-171-s的信号位于1号染色体上。因此，我们推测1号染色体上卫星DNA的积累可能在菠菜属植物的性染色体进化中起着重要作用。
4、利用荧光原位杂交技术，将SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179、SpSat04-324、SpSat05-141、StuSat01-158-s、SolSat01-171-s和SteSat01-99-s这8个卫星DNA作为探针，分别对S.turkestanica和S.oleracea有丝分裂中期染色体雌雄株分裂相和减数第一次分裂前期I的粗线期、终变期和中期I染色体进行杂交，观察荧光探针信号在菠菜中期染色体雌雄分裂相之间、减数分裂不同时期以及不同品种之间有无差异。根据不同种之间的演化关系以及探针信号的分布，从而推测重复序列在菠菜性染色中的演化过程中可能起到的作用。结果表明同一个探针在两个菠菜种染色体上均有信号，且信号没有差异，另外通过比较发现探针信号在X和Y染色体上并没有显著的差异，这可能与菠菜性染色体演化的早期阶段有关，XY染色体的分化时间较短，MSY(Male-specific region of the Y chromosome )区域基因与X染色体上的同源基因歧化年代大约为0.40±0.08 Mya(Million years ago)。
5、通过TAREAN软件，将SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179和SpSat04-324这四个卫星DNA序列进行鉴定，clusters的特点是呈星形或圆形拓扑结构，基于这4个卫星DNA探针的荧光信号特点，建立了菠菜更准确的核型。使用卫星DNA探针(SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179和SpSat04-324)和45SrDNA探针进行了一系列的FISH结果显示，1号染色体对：两臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat03-179的杂交信号，短臂端粒区域上有SpSat04-324的杂交信号；2号染色体对：长臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat03-179的杂交信号，短臂端粒区域上有45SrDNA的杂交信号；3号染色体对：两条臂端粒区域上的有SpSat02-52的杂交信号，短臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat03-179的杂交信号；4号染色体对：长臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat02-52的杂交信号；5号染色体对：长臂端粒区域上有SpSat01-21的杂交信号，短臂端粒区域上有45SrDNA的杂交信号；6号染色体对：长臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat03-179的杂交信号，短臂端粒区域上有45SrDNA的杂交信号。此结果能够更好地分辨菠菜每条染色体的特征，为以后菠菜染色体方面的研究提供了充分的依据。
1、利用RepeatExplorer软件平台和基因组重测序NGS(Next-Generation Sequencing)数据，阐明了重复序列在菠菜属植物雄性和雌性基因组之间的差异，在S.turkestanica，S.oleracea和S.tetrandra基因组之间的差异，以及在菠菜和它的近缘种甜菜基因组之间的差异。Angela、Bianca、SIRE、Tork、Athila、Ogre、CRM、Helitron和EnSpm_CACTA在菠菜和甜菜的基因组中差异显著，但是在S.turkestanica，S.oleracea和S.tetrandra基因组之间差异不显著；Galadriel在甜菜和菠菜属的三个不同种之间均具有差异显著，但是在菠菜每个种的雄性和雌性基因组之间差异不显著。菠菜雄性基因组中的SIRE、TAR、Ogre、CRM、Tekay、Helitron、EnSpm_CACTA、MuDR_Mutator和Satellite含量比雌性中的较高，但是差异不显著；而在雌性基因组中的Galadriel所占比例比雄性相对稍高，但是差异不显著；随着菠菜属中重复序列比例的增加，雄性基因组中Ale、Angela、Athila、Ogre和Retand的比例也在上升。S.tetrandra基因组中的重复序列所占比例平均为53.41％，高于S.oleracea(平均50.5％)和S.turkestanica(平均49.56％)的重复序列比例。菠菜基因组中的重复序列比例远高于甜菜。在菠菜基因组中，Ty3/Gypsy超家族的重复基因组比例高于Ty1/Copia，然而，在甜菜基因组中，Ty1/Copia的重复基因组比例是最丰富的。Ty3/Gypsy和Ty1/Copia的LTR逆转座子是组成重复序列的主要成分。在Ty1/Copia中，Angela占主导地位，占菠菜属物种中Ty1/Copia的94.97％以上。在甜菜基因组中，SIRE所占比例最大，占Ty1/Copia的71.44％；对Ty3/Gypsy的分析表明，Ogre是菠菜物种中最常见的类型，占基因组比例的69.28％。对于甜菜而言，Retand 和Tekay在Ty3/Gypsy中所占比例相对较大，分别占28.5和38.6％。
2、利用RepeatExplorer软件平台中的TAndemREpeatANalyzer(TAREAN)软件进行分析，结果表明菠菜和甜菜基因组中卫星DNA在基因组中所占比例约为0.3％，共存在15种高置信度卫星DNA，所鉴定的单体大小在这四个物种之间是可变的，范围为21bp?358bp。BvuSat01-59-s，BvuSat02-141-s，BvuSat03-141-s，BvuSat04-159-s，BvuSat05-329-s和BvuSat06-358-s仅存在于甜菜的基因组中，BvuSat07-358-s存在于甜菜和菠菜物种的基因组中，在三个菠菜属物种基因组中发现了SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179、SpSat04-324、SpSat05-141、StuSat01-158-s、SolSat01-171-s和SteSat01-99-s。其中SpSat02-52在S.tetrandra基因组中占3.500％，远高于S.turkestanica和S.oleracea基因组中所占比例。
3、利用荧光原位杂交技术，将以上所鉴定出的15个高置信度卫星DNA作为探针进行杂交，结果显示：BvuSat01-59-s、BvuSat02-141-s、BvuSat03-141-s、BvuSat04-159-s、BvuSat05-329-s、BvuSat06-358-s和BvuSat07-358-s仅在甜菜有丝分裂中期染色体上有信号，而在菠菜染色体上没有发现信号，SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179、SpSat04-324、SpSat05-141、StuSat01-158-s、SolSat01-171-s和SteSat01-99-s的荧光信号仅位于菠菜有丝分裂中期染色体上，在甜菜染色体上无信号分布。因此，卫星DNA序列在菠菜及其近缘种甜菜之间发生了明显的歧化。同时，我们还发现SpSat03-179、SpSat04-324、SpSat05-141、StuSat01-158-s和SolSat01-171-s的信号位于1号染色体上。因此，我们推测1号染色体上卫星DNA的积累可能在菠菜属植物的性染色体进化中起着重要作用。
4、利用荧光原位杂交技术，将SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179、SpSat04-324、SpSat05-141、StuSat01-158-s、SolSat01-171-s和SteSat01-99-s这8个卫星DNA作为探针，分别对S.turkestanica和S.oleracea有丝分裂中期染色体雌雄株分裂相和减数第一次分裂前期I的粗线期、终变期和中期I染色体进行杂交，观察荧光探针信号在菠菜中期染色体雌雄分裂相之间、减数分裂不同时期以及不同品种之间有无差异。根据不同种之间的演化关系以及探针信号的分布，从而推测重复序列在菠菜性染色中的演化过程中可能起到的作用。结果表明同一个探针在两个菠菜种染色体上均有信号，且信号没有差异，另外通过比较发现探针信号在X和Y染色体上并没有显著的差异，这可能与菠菜性染色体演化的早期阶段有关，XY染色体的分化时间较短，MSY(Male-specific region of the Y chromosome )区域基因与X染色体上的同源基因歧化年代大约为0.40±0.08 Mya(Million years ago)。
5、通过TAREAN软件，将SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179和SpSat04-324这四个卫星DNA序列进行鉴定，clusters的特点是呈星形或圆形拓扑结构，基于这4个卫星DNA探针的荧光信号特点，建立了菠菜更准确的核型。使用卫星DNA探针(SpSat01-21、SpSat02-52、SpSat03-179和SpSat04-324)和45SrDNA探针进行了一系列的FISH结果显示，1号染色体对：两臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat03-179的杂交信号，短臂端粒区域上有SpSat04-324的杂交信号；2号染色体对：长臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat03-179的杂交信号，短臂端粒区域上有45SrDNA的杂交信号；3号染色体对：两条臂端粒区域上的有SpSat02-52的杂交信号，短臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat03-179的杂交信号；4号染色体对：长臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat02-52的杂交信号；5号染色体对：长臂端粒区域上有SpSat01-21的杂交信号，短臂端粒区域上有45SrDNA的杂交信号；6号染色体对：长臂端粒区域上有SpSat01-21和SpSat03-179的杂交信号，短臂端粒区域上有45SrDNA的杂交信号。此结果能够更好地分辨菠菜每条染色体的特征，为以后菠菜染色体方面的研究提供了充分的依据。