泛基因組資料庫：找到油菜的「好基因」

2020-10-28 光明科普

BnPIR平臺 華中農大供圖

油菜是世界第二大油料作物，也是我國最重要的油料作物之一。今年初，華中農業大學一支科研隊伍公布了8個甘藍型油菜的高質量參考基因組。近日，他們在原有研究基礎上，通過整合1689份油菜的基因組及重測序數據，構建了首個油菜泛基因組和比較基因組生物信息平臺BnPIR。

有了這一平臺，研究人員可以更快捷、更方便地檢索和使用油菜泛基因組相關資源。為何建設油菜泛基因組平臺？這是一個什麼樣的資料庫？油菜相關的多組學數據研究進展情況如何？《中國科學報》對此進行了採訪。

「標準地圖」有盲區

甘藍型油菜大約在7500年前由白菜和甘藍自然雜交形成，是非常「年輕」的多倍體植物。

「多倍體物種，尤其是年輕的多倍體植物中，往往存在大量的非同源染色體重組事件，這些重組事件導致甘藍型油菜內部的遺傳變異非常豐富。」華中農業大學生物信息團隊副教授楊慶勇說。

而在過去的幾十年裡，為了提高油菜的產量、品質及適應性等目標性狀，國內外油菜遺傳育種科學家持續地將白菜、芥菜等種質資源中控制重要性狀（如抗性等）的遺傳位點，通過雜交或者遠緣雜交等手段導入到甘藍型油菜中，進一步豐富了其物種的遺傳多樣性。

「現有的研究數據表明，甘藍型油菜基因組中7成以上基因都存在大的遺傳變異，也就是通常所說的結構變異。換句話說，對於油菜這樣的年輕多倍體物種，單一參考基因組往往無法很好地包含物種內豐富的遺傳變異信息。」楊慶勇進一步解釋道。

如何系統挖掘和揭示甘藍型油菜的遺傳變異？

楊慶勇介紹，傳統的遺傳變異檢測手段主要通過基因組重測序，然後將重測序的讀段比對到參考基因組，可以稱之為「按圖索異」。這裡的圖是指參考基因組（參考基因組作為生命科學研究中的「標準地圖」），而我們目前使用的「標準地圖」（單一參考基因組）仍然存在大量的「暗區和盲區」。

單一參考基因組為重要性狀相關遺傳位點和基因的挖掘與利用設置了重重障礙。為了克服這些困難，科學家提出了通過整合多個代表性種質資源的基因組信息，構建泛基因組的研究思路和策略。

首個油菜泛基因組

甘藍型油菜是研究植物多倍化和進化的模式物種。遺憾的是，甘藍型油菜一直缺乏專門的基因組資料庫，研究人員不得不藉助蕓薹屬資料庫（BRAD）和其他公共資料庫（Genoscope和Ensembl等）來獲取甘藍型油菜的基因組數據。

「這些資料庫是基於單一品種基因組和注釋，並且缺乏多組學數據和群體變異信息。」 華中農業大學生物信息團隊教授陳玲玲說。

據介紹，整合多種個體的泛基因組可以更加全面的檢測物種內部的遺傳變異，獲得各個樣本的共有和特有的基因集，結合不同樣本的表型差異可以為進一步挖掘重要的農藝性狀基因提供基礎。

2020年1月，華中農業大學油菜團隊與生物信息團隊合作，在《自然—植物》上發布了8個甘藍型油菜種質基因組序列，並通過比較基因組分析鑑定了大量SNPs（單鹼基多態性）、PAVs（存在/缺失變異）等變異，構建了大小約為1.8Gb泛基因組，包含約15萬個基因。通過基於PAVs的全基因組關聯分析直接鑑定到了與角果長度、種子重量和開花時間相關的結構變異。研究發現，多個FLC基因上的PAVs與開花時間和生態型分化緊密相關。

華中農業大學油菜團隊教授劉克德介紹，該研究為進一步解析甘藍型油菜的基因組結構和加速遺傳改良提供了資源，泛基因組的建立對鑑定與重要農藝性狀關聯的結構變異有重要意義。

為了讓油菜遺傳育種研究人員能夠快捷、方便地檢索和使用油菜泛基因組相關資源，研究人員進一步結合1689份油菜的基因組及重測序數據，構建了甘藍型油菜泛基因組資料庫BnPIR。相關論文10月17日在線發表於《植物生物技術雜誌》。

泛基因組資料庫BnPIR

楊慶勇介紹，BnPIR是基於基因信息模塊的綜合平臺，以泛基因組瀏覽器和多基因組共線性為核心，包含多組學數據和常見的生物信息學工具。BnPIR包含基因組序列、基因注釋、系統發育關係、表達數據、PAVs 信息、基因分類，品種信息和常用多組學工具，並提供快速搜索和可視化的集成。

BnPIR為油菜分子生物學和育種提供豐富資源，有助於油菜研究人員在泛基因組背景下搜索和可視化其結果，並為其他物種的泛基因組分析提供有價值的模板和平臺。

同時，研究人員也指出，「目前我們用於構建泛基因組的代表性油菜品系僅9個，未來將收集、組裝和收集更多代表性油菜品系的基因組及其變異信息，整合到BnPIR泛基因組資料庫中。」

此外，除了主要聚焦在檢索變異層面的BnPIR，現在他們還已完成了基於圖形結構泛基因組的構建，並應用這個新構建的泛基因組進行全基因組關聯分析及進化分析等研究工作。

當前，我國科學家在十字花科作物育種領域發表外文論文總量排名世界第一，並且產生了大量優良的遺傳材料，以及基因組、轉錄組和代謝組等多組學數據。如何實現多組學數據復用和共享，將數據轉化成知識、專利、品種及生產力，一直是科研人員思考和努力的方向。

「泛基因組資料庫僅僅是個開端，目前我們與國內的多個油菜研究團隊合作，已經完成了油菜泛轉錄組資料庫的構建，很快就會與大家見面。油菜代謝組資料庫相關構建工作也已開展。」華中農業大學油菜團隊教授郭亮說。

華中農大的研究人員希望，未來通過與國內油菜科學家更加緊密的交流與合作，為油菜遺傳育種提供更加系統全面、準確高效和友好的資料庫和生物信息平臺服務工作。（王方）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-019-0577-7

https://doi.org/10.1111/pbi.13491

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