前情回顧
上次小編為大家講解了四種以基因組為基礎(chǔ)的多組學(xué)聯(lián)合研究方案（基因組與轉(zhuǎn)錄組，深入挖掘基因表達(dá)信息；基因組聯(lián)合代謝組與轉(zhuǎn)錄組，鎖定關(guān)鍵通路；基因組與群體進(jìn)化，解析物種發(fā)展歷程；基因組結(jié)合GWAS與進(jìn)化，探索重組遺傳效應(yīng) ） 并通過八篇高分合作文章作為經(jīng)典案例進(jìn)行案例概述。詳情可點(diǎn)擊→基因組學(xué)深入挖掘·研究方案（上篇）進(jìn)行回看。
相信很多老師根據(jù)上期方案概述已經(jīng)有了適合自己的研究思路或是找到了自己研究中的影子，但是基因組作為一種基礎(chǔ)且必要的研究，其身上的挖掘方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些~接下來我們將精彩繼續(xù)，咱們接著談?wù)勱P(guān)于基因組學(xué)研究的其他幾種熱點(diǎn)方案~
方案五
基因組與遺傳圖譜，連鎖分析定位性狀
技術(shù)介紹
遺傳圖譜是目前經(jīng)典的功能基因定位策略，主要基于高通量測序技術(shù)開發(fā)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)（SNP），并計(jì)算多態(tài)性標(biāo)記間的遺傳連鎖距離，構(gòu)建高密度遺傳圖譜，最后結(jié)合性狀調(diào)查對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行定位。數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）是指基因組中引起數(shù)量性狀變異的座位。作物的產(chǎn)量、質(zhì)量、株型、生長發(fā)育等大多數(shù)重要經(jīng)濟(jì)性狀及農(nóng)藝性狀通常都為數(shù)量性狀。利用分子標(biāo)記，通過連鎖分析進(jìn)行QTL定位，是遺傳學(xué)中研究數(shù)量性狀相關(guān)功能基因的基本手段和確定分離并分離目標(biāo)基因的前提。而優(yōu)質(zhì)的基因組才能為性狀精準(zhǔn)定位提供有力支持。
技術(shù)路線
適用范圍
雙親雜交得到的性狀分離群體
包括暫時(shí)性分離群體，如F1、F2、F3、BC等
永久性分離群體，如DH、RIL等
產(chǎn)量、育性、花期、果實(shí)性狀、抗病蟲、抗鹽堿、抗寒、品質(zhì)、株型、性別決定、代謝物等性狀定位
高分案例
植物案例一
英文名：The Coix genome provides insights into Panicoideae evolution and papery hull domestication[1]
中文名：薏苡基因組為黍亞科進(jìn)化及薄皮作物馴化提供新見解
期刊：Molecular Plant（IF：12.084）
合作單位：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)
主要研究內(nèi)容：
作者以飼用薏苡 “大黑山”為研究對象，利用PacBio組裝了1.62 Gb的薏苡基因組，contig N50達(dá)到了2.24 Mb，并通過Hi-C將1.5 Gb的序列定位到10條染色體上。比較基因組分析揭示了薏苡高生物量和生物抗性的可能原因。作者通過對兩種不同種殼品種進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組差異基因聚類分析，揭示薏苡種殼薄皮形成原因，解析馴化選擇機(jī)制。最后將兩種不同種殼品種雜交產(chǎn)生的F2群體構(gòu)建遺傳圖譜，對種殼抗壓性、抽穗期、株高和分蘗數(shù)等性狀QTL定位。后期擴(kuò)大群體精細(xì)定位，進(jìn)一步將這2個(gè)QTLs分別定位到250Kb和140Kb的區(qū)間內(nèi)。該研究有助于推動(dòng)薏苡關(guān)鍵藥用成分的研究和傳統(tǒng)中藥的現(xiàn)代化應(yīng)用，為薏苡糧、藥、飼專用新品種的高效選育奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
植物案例二
英文名：Population Genomic Analysis and De novo Assembly Reveal the Origin of Weedy Rice as an Evolutionary Game[2]
中文名：群體基因組分析結(jié)合從頭組裝揭示雜草稻作為進(jìn)化演繹的起源
期刊：Molecular Plant（IF：12.084）
合作單位：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)
主要研究內(nèi)容：
作者使用WRAH和 Qishanzhan 栽培稻的雜交，獲得包含 168 個(gè)子代的 RIL 群體，利用 SLAF-seq 技術(shù)進(jìn)行測序，構(gòu)建高密度遺傳圖譜。對種子落粒、長芒、高株高、色殼和紅果皮5個(gè)性狀進(jìn)行定位。并對不同地域品種的333份水稻構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，明確WRAH的分群情況，并通過選擇性清除分析發(fā)現(xiàn)馴化相關(guān)基因可能在平行進(jìn)化中發(fā)揮重要作用?；谝陨涎芯孔髡咄ㄟ^PacBio+Hi-C組裝了高質(zhì)量的亞洲高緯度雜草稻W(wǎng)R04-6基因組，并通過比較基因組分析研究相關(guān)基因家族及分化時(shí)間。該研究揭示了栽培稻在從野生稻馴化后，近代的遺傳改良成為了亞洲高緯度雜草稻與粳型栽培稻遺傳趨異的分水嶺。
方案六
基因組與表觀遺傳，解析三維網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制
技術(shù)介紹
表觀遺傳（epigentics） “epi”表示“其上”或“超越”，genetics只設(shè)計(jì)基因的結(jié)構(gòu)層次，而epigenetics則涉及基因如何發(fā)揮其功能以及基因間的互作關(guān)系?；蚪M結(jié)合表觀調(diào)控可更加深入的剖析物種在何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息的指令。多種表觀遺傳研究手段間可相互組合，從三維基因、修飾表達(dá)、調(diào)控元件等多種層面解析不同調(diào)控原理。
技術(shù)路線
適用范圍
不同物種間調(diào)控因子差異研究
脅迫等差異環(huán)境響應(yīng)調(diào)控機(jī)理
發(fā)育生長、病理恢復(fù)間基因結(jié)構(gòu)/調(diào)控機(jī)制
不同組織，器官轉(zhuǎn)錄活性差異，找到組織特異基因和啟動(dòng)子
非生物逆境，病蟲害，營養(yǎng)，激素等處理前后及動(dòng)物疾病差異
宏觀分析細(xì)胞在該特定時(shí)空下整個(gè)基因組的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
高分案例
植物案例
英文名：N6-Methyladenine DNA Methylation in Japonica and Indica Rice Genomes and Its Association with Gene Expression, Plant Development and Stress Responsesence[3]
中文名：粳稻和秈稻基因組N6-甲基腺嘌呤DNA甲基化及其與基因表達(dá)、植物生長和應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)系
期刊：Molecular Plant（IF：12.084）
合作單位：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所
主要研究內(nèi)容：
作者利用PacBio對粳稻日本晴栽培種Japonica Nipponbare (Nip)及秈稻栽培種Indica 93-11進(jìn)行測序。最終組裝Nip基因組大小為380.7 Mb（contig N50=16.97 Mb），93-11基因組大小為396 Mb（contig N50=9.64 Mb）。新組裝的Nip和93-11基因組的contigN50分別比先前公布的高2.2倍和460倍。并使用改進(jìn)的水稻（Nip、93-11）基因組和SMRT測序鑒定了粳稻和秈稻基因組中全基因組的6mA位點(diǎn)的單核苷酸分辨率。并報(bào)道了93-11中第一個(gè)6mA甲基位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)Nip和93-11中6mA位點(diǎn)在著絲粒周圍異染色質(zhì)區(qū)域附近富集；6mA與水稻中的活性表達(dá)基因有關(guān)；Nip、93-11和擬南芥中6mA的分布及其與轉(zhuǎn)錄的關(guān)系是保守的。6mA與熱應(yīng)激關(guān)鍵基因的表達(dá)呈正相關(guān)。篩選了與表觀遺傳學(xué)相關(guān)的潛在突變體，并發(fā)現(xiàn)DDM1對水稻中的6mA修飾是必不可少的。
方案七
種內(nèi)/種間基因組變異，掌控起源及功能關(guān)系
技術(shù)介紹
對于大部分動(dòng)植物，其測序主要基于單一品種作為參考基因組。單一基因組測序通常只能覆蓋基因組的80%~90%，且通常只有代表馴化的優(yōu)良品種的單一基因型能夠被準(zhǔn)確檢測到，因此不同生態(tài)型重測序數(shù)據(jù)一般只有50%~80%能比對到參考基因組上。而通過對兩種品系基因組進(jìn)行denovo（或者與已發(fā)表品系進(jìn)行研究），充分比較其間的基因組變異信息，可以更好的對不同生態(tài)型進(jìn)行表型功能差異分析。結(jié)合兩種生態(tài)型品種雜交子代圖譜，將極大的利于后續(xù)性狀與功能研究。與動(dòng)物相比植物更具有品種多樣性，因此該研究方案目前更多的應(yīng)用于植物材料中。
而親緣關(guān)系較近的種間材料同樣可以分別進(jìn)行denovo，并通過其間的變異分析掌控物種間的起源進(jìn)化及功能關(guān)系。
技術(shù)路線
適用范圍
品種材料間優(yōu)秀性狀檢測與育種
物種間基因組進(jìn)化關(guān)系
大型結(jié)構(gòu)變異與性狀分析
高分案例
植物案例一（種間變異）
英文名：Reference genome sequences of two cultivated allotetraploid cottons Gossypium hirsutum and Gossypium barbadense[4]
中文名：異源四倍體陸地棉和海島棉基因組破譯
期刊：Nature Genetics（IF：27.603）
合作單位：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
主要研究內(nèi)容：
作者利用三代測序(PacBio)+光學(xué)圖譜+Hi-C相結(jié)合的方法進(jìn)行異源四倍體陸地棉和海島棉基因組組裝。組裝獲得陸地棉Contig L50 = 1.89 Mb，海島棉Contig L50 = 2.15 Mb，Hi-C染色體掛載效率分別為 98.94%和97.68%。對異源四倍體陸地棉和海島棉進(jìn)行全基因組變異分析，包括SNPs和Indels變異分析，染色體結(jié)構(gòu)變異及PAVs分析。將A-亞基因組供體二倍體祖先種亞洲棉G. arboreum與陸地棉和海島棉進(jìn)行比較，證明了從二倍體到四倍體多倍化過程中發(fā)生了結(jié)構(gòu)變異。通過構(gòu)建滲入系，將海島棉的有利染色體片段導(dǎo)入到陸地棉中，并進(jìn)行QTL定位，在兩種代表性種質(zhì)間探索研究了具有潛在優(yōu)質(zhì)纖維質(zhì)量性狀的基因組序列信息，從而幫助棉花改良育種。
植物案例二（種內(nèi)變異）
英文名：Extensive intraspecific gene order and gene structural variations in upland cotton cultivars[5]
中文名：陸地棉栽培種廣泛的基因順序和基因結(jié)構(gòu)變異
期刊：Nature Communications（IF:12.121）
合作單位：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所
主要研究內(nèi)容：
作者利用三代PacBio測序，對陸地棉（G. hirsutum）遺傳研究標(biāo)準(zhǔn)種TM-1和易于轉(zhuǎn)化的生物技術(shù)重要品種ZM24 進(jìn)行測序，組裝TM-1基因組2.286 Gb (Contig N50=4.760 Mb)， ZM24基因組2.309 Gb(Contig N50=1.976 Mb)，利用Hi-C將TM-1組裝到染色體水平（掛載率97.4%）。通過二者的基因組與二倍體祖先種之間的比較，發(fā)現(xiàn)了大量的遺傳變異。TM-1 與 ZM24 比較發(fā)現(xiàn)有大量倒位、染色體內(nèi)易位和染色體間易位，3個(gè)最大的結(jié)構(gòu)變異來自于A08 染色體，PAV 基因可能在多倍體的形成過程中已經(jīng)出現(xiàn)。進(jìn)一步通過兩個(gè)栽培種和種質(zhì)panel的作圖群體的單倍型分析顯示該區(qū)域的重組率受到抑制。本研究為棉花研究領(lǐng)域提供了更多的基因組資源，鑒定的遺傳變異，將對未來的棉花育種具有幫助。
方案八
泛基因組，解析物種表型及性狀多樣性
技術(shù)介紹
泛基因組(Pan-genome)即某一物種全部基因的總稱，包括核心基因（core gene；由所有個(gè)體都存在的基因組成）和非核心基因（dispensable gene；僅在單個(gè)個(gè)體或部分個(gè)體中存在的基因組成）。泛基因組分析有助于理解物種的特征，同時(shí)泛基因組圖譜提供的基因PAV變異或基因復(fù)制等復(fù)雜基因組變異，有助于解析作物表型和農(nóng)藝性狀的多樣性。選擇不同亞種材料進(jìn)行泛基因組測序，可以研究物種的起源及演化等重要生物學(xué)問題；選擇野生種和栽培種等不同特性的種質(zhì)資源進(jìn)行泛基因組測序，可以發(fā)掘重要性狀相關(guān)的基因資源，為科學(xué)育種提供指導(dǎo)；選擇不同生態(tài)地理類型的種質(zhì)資源進(jìn)行泛基因組測序，可以開展物種的適應(yīng)性進(jìn)化、外來物種入侵性等熱門科學(xué)問題。
技術(shù)路線
適用范圍
多表型作物性狀功能研究
功能基因育種基礎(chǔ)
多樣品種來源傳播探索
重要性狀基因資源發(fā)掘
外來物種入侵考究
高分案例
植物案例一
英文名：The barley pan-genome reveals the hidden legacy of mutation breeding[6]
中文名：大麥泛基因組揭示了突變育種的潛在遺傳基礎(chǔ)
期刊：Nature（IF：42.778）
研究單位：澳大利亞默多克大學(xué)西澳洲大麥聯(lián)盟
主要研究內(nèi)容：
作者通過對全球超過2萬份大麥種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析，最終選出20個(gè)能夠覆蓋大部分大麥遺傳多樣性的品種（包括地方種、栽培種及野生種）。結(jié)合PacBio、Illumina、10x Genomics、Hi-C等技術(shù)構(gòu)建了20個(gè)染色體水平基因組，組裝基因組大小在3.8Gb-4.5Gb，N50范圍為5.0-42.7 Mb。并對不同品種間基因組大片段插入/缺失變異（PAV）、結(jié)構(gòu)變異進(jìn)行了鑒定。發(fā)現(xiàn)大的倒位多態(tài)性（>5 Mb）普遍存在，并對經(jīng)常在優(yōu)質(zhì)大麥品種中發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)重要的大片段倒位現(xiàn)象進(jìn)行了分析。該研究首次構(gòu)建了大麥泛基因組，檢測了大量未發(fā)現(xiàn)的遺傳變異，這些變異將為遺傳分析和育種提供有力支撐。
植物案例二
英文名：Multiple wheat genomes reveal global variation in modern breeding[7]
中文名：多個(gè)小麥基因組揭示了現(xiàn)代育種中的全面變異
期刊：Nature（IF：42.778）
研究單位：加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)等研究單位
主要研究內(nèi)容：
作者通過通過NRGene DeNovoMagic3平臺結(jié)合10X Genomics、Illumina、Hi-C等技術(shù)完成了不同地區(qū)來源的10個(gè)染色體級別和5個(gè)scaffold級別的6倍體小麥基因組，組裝結(jié)果在14.2Gb-14.8Gb。并通過挖掘不同小麥品種間的基因多樣性，研究了一些農(nóng)藝相關(guān)性狀基因家族。通過基因組比較及ChIP-seq等技術(shù)揭示了基因組的轉(zhuǎn)座子TE差異, 外緣染色體片段, 著絲粒倒位以及10個(gè)基因組間大的結(jié)構(gòu)變異(SV)，這些研究揭示了廣泛的結(jié)構(gòu)重排、野生親緣的引入以及復(fù)雜的育種歷史導(dǎo)致基因變異，這些育種歷史旨在提高小麥對不同環(huán)境的適應(yīng)能力、產(chǎn)量和質(zhì)量以及抗逆性。基因組間比較研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)多基因組衍生的富亮氨酸重復(fù)結(jié)構(gòu)域的核苷酸結(jié)合蛋白庫，這種蛋白參與了小麥的抗病性，并且報(bào)道了抗蟲基因Sm1的基因變異。小麥泛基因組將為發(fā)現(xiàn)功能基因和培育下一代現(xiàn)代小麥品種提供理論基礎(chǔ)。
動(dòng)物案例
英文名：Massive gene presence-absence variation shapes an open pan-genome in the Mediterranean mussel[8]
中文名：地中海貽貝的大規(guī)模基因存在缺失變異形成了一個(gè)開放的泛基因組
期刊： Genome Biology（IF：10.806）
研究單位：意大利里雅斯特大學(xué)
主要研究內(nèi)容：
作者通過Illumina、PacBio等技術(shù)構(gòu)建了1.28G地中海貽貝基因組（Contig N50=71.42 kb）。并對14個(gè)地中海貽貝進(jìn)行高深度重測序，發(fā)現(xiàn)其間具有大量的結(jié)構(gòu)變異，大的插入和缺失是地中海貽貝基因組多樣性的主要來源。進(jìn)而將重測序數(shù)據(jù)與組裝基因組比對，并將未比對上的contigs進(jìn)行組裝，構(gòu)建了1.86Gb的地中海貽貝泛基因組。對泛基因組中的核心與非核心基因組進(jìn)行分析，富集分析結(jié)果表明，非核心基因在胞凋亡、免疫信號傳導(dǎo)等與環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)的通路中顯著富集，揭示了地中海貽貝的非核心基因組在增強(qiáng)其環(huán)境適應(yīng)性中的重要作用。
尾聲
隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，各大雜志編輯們“眼光”越來越高，基因組學(xué)研究難以再靠單純的基因組生信分析獨(dú)樹一幟。如何利用好基因組信息，深入挖掘其中奧義；如何使不同生態(tài)型生物學(xué)現(xiàn)象得以充分解析；如何使得基因組的數(shù)據(jù)成為遺傳育種、物種保護(hù)中的關(guān)鍵信息。種種問題在多組學(xué)聯(lián)合研究的背景下將迎刃而解。當(dāng)然，小編在這里更多的是列舉了目前研究熱門的幾種方案，對于不同物種特性，真正適合的研究方案遠(yuǎn)不止小編列舉的這些，單細(xì)胞技術(shù)、基因編輯等多種新興技術(shù)正在逐步崛起，后續(xù)動(dòng)植物的研究里也會逐漸細(xì)致化，精細(xì)化。也期待每一位老師能快速找到適合自己的研究方案，完美的闡述各種生物學(xué)故事。
參考文獻(xiàn)
[3] Zhang Q, Liang Z, Cui X, Ji C et al. N6-MethyladenineDNA Methylation in Japonica and Indica Rice Genomes and Its Associationwith Gene Expression, Plant Development and Stress Responses. Mol Plant., 2018.
[8] Gerdol M, Moreira R, et al. Massive gene presence-absence variation shapes an open pan-genome in the Mediterranean musse. Genome Biology.2020
京公網(wǎng)安備 11011302003368號