分类: 基因组测序

 

板栗是世界上重要的生态经济兼用树种。作为干果类树种,其栽培品种多由实生选育得到,品种间遗传差异极大,单个品种的基因组很难代表主栽品种的遗传特性。典型模式植物的基因组数据库很难直接应用到经济林干果类树种的遗传研究上。因此,通过泛基因组分析,构建经济林树种自己的基因组数据库,对于揭示各个品种特异性状的遗传基础意义重大。

近日,北京市农林科学院林业果树研究所兰彦平团队在《Frontiers In Plant Science》在线发表了题为“Pan-genome analysis of three main Chinese chestnut varieties”的研究论文。百迈客有幸为该研究提供板栗基因组测序组装工作。

该研究以林果所自主选育的特色板栗良种 ‘燕红’ (YH,易修剪品种)、‘燕山早生’(ZS,早熟品种) 和‘黑山寨7号’(H7,耐旱品种)为试验材料,基于纳米孔测序技术(Nanopore)、Illumina HiSeq X和Hi-C技术,获得了三个高质量染色体水平的板栗基因组。通过同源基因鉴定和基因家族聚类分析,发现H7、YH和ZS分别有159、131和91个特有的基因家族。通过全基因组比对分析,寻找三个样本基因组间的存在/缺失变异(PAV)信息,发现H7、YH和ZS中分别存在2364、2232和1475个特有基因(见图1)。

图1 三个板栗品种基因组Hi-C热图、基因家族聚类及基因PAV信息

糯性是板栗最重要的食用品质之一。然而,关于板栗中糯性基因报道却很少。通过与近缘种比对,发现板栗中与糯性相关的基因家族GBSS II存在扩张。为了进一步探索该家族进化趋势,本研究针对所有GBSS蛋白和相关家族成员进行了系统的发育分析。研究表明板栗中的GBSS II-b分支比近源物种多个成员。

图2 板栗GBSS II基因家族进化树分析

此外,依托国家林草局板栗工程中心,构建了首个板栗基因组数据库(图三),为浏览基因组(JBrowse)、搜索序列(BLAST)和设计引物提供了工具。

图3 板栗基因组数据库

本研究通过第三代基因组测序技术及泛基因组分析,发现了各主栽品种基因组间的显著差异及特有基因,并部分解释了板栗糯性风味的遗传基础,为实现早熟、抗旱及宜机械化修剪的优质板栗品种的聚合育种打下基础。该论文由北京市农林科学院林业果树研究所完成,胡广隆副研究员为第一作者,兰彦平研究员为本文通讯作者,得到国家重点研发计划和院科技创新能力建设专项基金资助。

泛基因组研究在各研究领域已大放异彩

截至目前,泛基因组已在植物、真菌、细菌、动物领域中得到广泛研究。泛基因组分析有助于理解物种的特征,同时泛基因组图谱提供的基因PAV变异或基因复制等复杂基因组变异,有助于解析动植物表型和性状的多样性,为物种的遗传改良提供宝贵的遗传资源。

通常泛基因组研究除了构建pan-genome,会进行核心基因(core gene)、非核心基因(dispensable gene)以及特有基因(Private)来研究物种相关农艺性状与功能基因。而结构变异是泛基因组的重点研究对象,通过PAV(存在与缺失变异)、倒位、易位、拷贝数变异等结构变异信息寻找引起不同品系间差异性状的关键变异位点。除此之外,泛基因组还可以结合三维表观调控、群体遗传进化、全基因组关联分析、转录共表达、差异代谢物以及数据库构建存储等方式进行深入的数据挖掘。

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