快速克隆基因(一)

昨天很重要,它构建了我们的记忆。

原文:

Jan Bettgenhaeuser, Simon G. Krattinger. Rapid gene cloning in cereals, Theoretical and Applied Genetics, 2018.

过去二十年,基因组学革命导致作物研究、植物育种、农业生产等领域发生了翻天覆地的变化,今天,主要的作物品种都有了自己高质量的参考基因组,大量的重测序和泛基因组研究正向我们揭示着新的种间与种内的多样性,基因型与表型的关系。当克隆基因越来越容易,大而复杂的基因组不再是定位基因中难以攻克的壁垒,百迈客特别推出了<<快速克隆基因,您准备好了吗?>>系列1,2,3,与您详细解读这篇文章。

ATCG不规则的排列组合组成了地球上近870万个物种形形色色的遗传物质,而解密其内在调控机制是生物工作者心心念念奋斗的目标。1977年,噬菌体ΦX174长达5375-bp基因组被第一个测序完成,基因组测序事业开始蓬勃发展,时至今日,NCBI收录了超过6000个真核生物和150,000个原核生物的测序数据,其中包括禾本科。而基因组研究目的也从单纯的科学研究向实践应用发生着转换。基因组学和生物技术相结合,包括标记辅助选择,基因组选择和基因编辑,已成为育种中不可缺少的工具,功能基因的定位和克隆将会把这种技术的结合作用发挥更大。

禾本科这个神奇的科属,是全球大部分食品饲料来源,为我们提供了超过50%的卡路里,它包括小麦,大米,玉米,大麦,高粱和小米等。大约在4500万至6000万年前,现代谷物共享了一个共同的祖先,虽然禾本科植物亲缘关系较近,但它们的基因组差异比较大,例如,水稻的基因组大小为380M,相当于小麦基因组的2.4%。今天,较多的作物基因组被测序,自2005年水稻基因组测序完成以来,高粱、玉米、大麦、珍珠粟、小麦基因组相继测序完成,这些高质量的参考基因组是谷物遗传学和基因组学研究中的里程碑。

那在基因定位中,参考基因组发挥着什么样的作用?如下图所示,自有参考基因组后,一个简单的文献检索显示有关水稻、拟南芥“基因克隆”的文章数量已经飙升,而2009年完成的2.3-Gb玉米基因组对克隆基因的数量影响貌似不是不大,这可能因为尽管有高质量的可用性参考序列,大基因组仍然是基因克隆的主要障碍。参考序列只是基因组功能的一个垫脚石,在拥有大而复杂的基因组的物种中仍然需要创新的定位方法。

将植物的表型变异与基因组差异联系起来,一直是植物研究和育种中的永恒命题,随着分子标记技术的出现和复杂的统计工具的使用,解剖复杂性状的遗传变异成为可能。目前使用最多的两种方法为QTL定位和GWAS分析,随着DNA测序的发展,早在20世纪90年代和21世纪初,涌现出RFLP,SSR,SNP等多种不同的分子标记。QTL分析和GWAS均是寻找与性状连锁的分子标记,尽管这两种方法较难直接定位到基因,但对鉴定主要的QTL还是很准确的。图位克隆也是定位基因的有效方法,利用染色体步移的方法缩小候选基因区段。例如水稻中抗病基因Xa21的克隆。Xa21来源于非洲野生稻,1992年,应用RFLP和RAPD标记将Xa21定位到11号染色体1.2-cM处。1995年利用连锁标记筛选BAC文库,将Xa21定位至9.6kb区段内找到了功能基因。Xa21最早是发现于1985年,而它的定位克隆完成发生在10年后,由此来看,图位克隆是定位基因的有效方法,但在没有参考基因的情况下,还是很费时费力费成本的。

而现在的我们,应用了什么样的方法,去提高这种效率呢?请持续关注后面的分享。

 

参考文献:

  • Ni J,Pujar A,et al. Gramene QTL database:development, content and applications. Database 2009
  • Wang GL, Holsten TE,et al .Construction of a rice bacterial artifcial chromosome library and identifcation of clones linked to the Xa-21 disease resistance locus.Plant J,1995
  • Jan B, Simon G,Rapid gene cloning in cereals,Theoretical and Applied Genetics ,2018
最近文章