植物基因組研究思路（一）林木篇

2020-08-12 北京百邁客生物科技

隨著三代測序（PacBio和Nanopore）技術的不斷發展，已有越來越多的植物完成的基因密碼的破譯，然而在高質量基因組破譯的基礎上，針對不同領域物種（如林木，中藥，農作物，園藝作物，水生植物等）的基因組研究思路又是怎樣的呢？從本章節起，小編分期為各位讀者帶來植物領域物種研究思路，本期我們重點介紹下林木基因組研究思路。

林木是木本植物的總稱，包含喬木、灌木和木質藤本之分，林木主要是種子植物。中國約有8000種林木。分為榕樹、楊樹、柳樹、柏樹、松樹等。由於林木的生長周期長，構建家系群體耗時，難度較大，但自然種群居多，所以針對林木類基因組主要採用群體進化及轉錄組等手段進行相應生物學問題的研究。

林木基因組研究技術路線

林木基因組重點研究思路（一）基因組+群體進化

案例（1）：開心果基因組

基因組組裝策略：Illumina+PacBio

基因組組裝結果：組裝基因組大小671 Mb；Contig N50=75.7 Kb；

群體進化研究：群體材料選擇（重測序）：107個開心果（93個馴化+14個野生）、35個不同野生黃連木屬物種；

圖1 體進化分析

研究結果1：揭示了開心果的兩步馴化過程（栽培種質分為兩個群。栽培種Group I的LD值最高，栽培種Group II和野生開心果的LD衰減值相近。Group II包括 Qazvini，Italiaei和Badami Zarand在內的5種類型的個體，且這些種質被記錄為古代具有種子的材料）；


圖2 開心果株型群體馴化（野生/馴化）分析

研究結果2：在開心果中，基因組上約有 9.2 Mb 的區域被鑑定為具有高水平的群體分化，包含665個基因，其中開心果株型可能與 SAUR55 基因的選擇相關，同時該基因 表現出了顯著增加的表達水平；果實重量的變化發生在馴化與人工選擇期間（CYCD7-1基因）。

轉錄組研究：耐鹽機制研究；葉片和根（正常和鹽處理）；

圖3 開心果鹽脅迫下轉錄組分析

研究結果：轉錄組研究分析發現編碼幾丁質酶的基因和參與 JA 生物合成途徑的基因可能有助於開心果適應鹽水環境。


案例（2）：白桑基因組

基因組組裝策略：Illumina+Nanopore+Hi-C

基因組組裝結果：組裝基因組大小346 Mb；Contig N50=2.7 Mb；

圖1 白桑基因組組裝結果

群體進化研究：群體材料選擇（重測序：~15.6X）：134份桑樹種質（132份栽培種，來自中國和日本；2份野生種，來自中國陝西）；


圖2 桑樹群體進化分析

研究結果1：利用得到的14 Mb SNP對廣東桑以外的其餘四種桑樹進行了聚類分析，未得到與形態分類相似的聚類結果，基因組數據支持《中國植物志》中將白桑、魯桑、山桑和瑞穗桑這4種栽培桑樹種合併的結論。首次用基因組數據明確了栽培桑樹物種分類，認為白桑、魯桑、山桑和瑞穗桑都屬於一個物種，即白桑（Morus alba L）。


圖3 湖桑(NH-JP/Π HU)馴化群體選擇研究

研究結果2：湖桑祖先群體比非湖桑的祖先群體小，表明湖桑在太湖流域養蠶業的擴張過程中可能經歷了強大的瓶頸或密集的人工選擇；湖桑群體選擇分析揭示馴化過程適應性機制，發現與植物生長，防禦反應，茉莉酸途徑相關基因受到選擇（MDN1，HAB1，IQM1，SBT3）。


案例（3）：小墊柳基因組

基因組組裝策略：Illumina+Nanopore+PacBio+Hi-C

基因組組裝結果：組裝基因組大小339 Mb；Contig N50=9.52 Mb；

圖1 小墊柳基因組組裝結果


群體進化研究：群體材料選擇（重測序，~22.1x），77個小墊柳（14個主要棲息地）；


圖2小墊柳群體進化分析

研究結果1：小墊柳具有顯著的種群分化，儘管其具有長距離傳播的能力，但種群間的基因流微弱；小墊柳自晚中新世以來的群體波動與劇烈的氣候波動耦合，天空島效應、多樣而異質的生境和氣候波動可能是驅動小墊柳種內群體分化的重要因素；


圖3小墊柳群體選擇（高/低海拔）分析

研究結果2：自然選擇在小墊柳高、低海拔群體中的作用區域和強度都具有顯著的差異，說明分布於橫斷山區海拔高差大、生境多樣而異質的物種可能在自然選擇的作用下發生種下的種群分化（Sabra3G0034400DNA修復，Sabra12G0047600細菌防禦應答，Sabra16G0101100細胞對DNA損傷刺激的應答和對寒冷的應答）。


林木基因組重點研究思路（二）

基因組+全基因組關聯分析（GWAS）

案例：海棗樹基因組

基因組組裝策略：Illumina+PacBio+遺傳圖譜

基因組組裝結果：組裝基因組大小772 Mb；Contig N50=897.2 Kb；

圖1 海棗樹（BC4雄株）基因組組裝

群體GWAS研究：群體材料選擇（重測序，~11.3X；）：157個海棗品種（ 145 個雌性品種和 12 個雄性個體）；



研究結果：海棗性別決定區域映射到 12 號連鎖群的遠端，而這與之前的研究結果一致；21 個果實性狀大多數性狀沒有顯著關聯；海棗果實顏色GWAS研究證實了之前的候選基因（4號連鎖群上~20 kb區域），表明油棕 VIR同源基因在海棗中控制紅/黃果實顏色多態性海棗糖分含量，定位到~1.1 Mb區域內。

林木基因組雜合度高，此外大基因組的針葉樹和一些多倍體的樹種難以獲得高質量的基因組序列，北京百邁客生物科技有限公司擁有豐富的基因組組裝經驗，尤其對高雜合，大基因組及多倍體植物基因組研究中獨具優勢，由北京百邁客最新推出的ONT+PB CCS的雙平臺組裝策略贏得了眾多老師的好評，針對林木基因組組裝更具優勢，目前公司僅林木類基因組合作文章發表20餘篇，累計影響因子達116+，而正是這些高質量林木基因組的破譯，將打破林木基因組育種中的瓶頸，為育種研究奠定了深厚的基礎。

北京百邁客林木研究基因組合作文章（部分）

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