泛基因组及其在植物功能基因组学研究中的应用

参考基因组是现代功能基因组学的核心框架,以此为基础的现代基因组学技术在过去20年对植物遗传变异发掘、功能基因克隆等研究起了巨大的推动作用。然而,越来越多的研究发现,单一或少数参考基因组不能完整代表和呈现物种或特定群体内的所有基因组变异,因此其在功能基因组学研究中应用存在很大的局限性,甚至会导致错误的结果。泛基因组是指物种或特定群体内全部基因或基因组序列的总和。泛基因组通过完整捕获和呈现群体内全部的基因或基因组序列,代替单一参考基因组应用于功能基因组学研究,可以突破单一参考基因组的局限性。泛基因组在植物功能基因组学研究中有广泛的应用,以泛基因组为基础,结合最新的基因组学技术可以高效、精准鉴定种质资源中的遗传变异。泛基因组研究是目前植物基因组学研究的前沿和热点。本文综述了泛基因组概念的起源和发展,泛基因组组装的技术和策略,以及泛基因组在植物基因组学研究和分子育种方面的应用和最新进展,最后对植物泛基因组研究目前存在的问题和今后研究方向进行了展望。本综述可为植物泛基因组研究和应用提供参考。     

植物泛基因组研究进展与展望

随着测序技术和生物信息学的快速发展,已有数百种植物的参考基因组被测序,极大地促进了植物功能基因组学、进化遗传学和分子育种学等领域的蓬勃发展.然而,随着研究的深入,越来越多的证据表明来自单一个体的参考基因组远不能代表整个物种的遗传多样性,由此催生了泛基因组(Pan-genome)的概念,并已成功应用于20余种植物的研究,...     

鱼类基因组研究进展

鱼类基因组研究利用大规模测序获取有关物种的基因组序列信息,进而阐明鱼类生物学特性、表型变异与基因组结构之间的关系,在鱼类的种质鉴定、遗传育种、动物营养、环境毒理和病害防治等领域具有巨大的应用潜力。自2001年首先对斑马鱼的基因组测序起,到目前为止已有近40个鱼类物种的全基因组测序完成,且其相关的生物学特征、遗传进化规律等得到较全面的解析。将从鱼类全基因组测序技术发展历程和鱼类基因组解析两大部分对鱼类基因组研究进展进行综述,旨在进一步了解鱼类基因组的研究现状、发展趋势和应用前景,为后续鱼类基因组研究提供参考。     

比较基因组学及其应用

比较基因组学是利用某些基因组图谱和测序获得的信息推测其他生物基因组的基因数目、位置、功能、表达机制和物种进化的学科。比较基因组学的发展与序列数据的积累密切相关,目前该学科已经成为研究生物基因组的最主要手段之一。利用FASTA、BLAST和CLUSTAL W等序列比对工具,种间的比较基因组学能够让人们了解物种间在基因组结构上的差异,发现基因的功能、物种的进化关系,以及进行功能基因的克隆。种内的比较基因组学研究主要涉及个体或群体基因组内诸如SNP、CNP等变异和多态现象。比较基因组学的研究结果不但有助于深入了解生命体的遗传机制,也有助于阐明人类复杂疾病的致病机制,揭示生命的本质规律。     

谱系特有基因研究进展

谱系特有基因(Lineage-specific genes,LSGs)是指在一个谱系中特有并与其他物种谱系所有基因没有明显序列相似性的基因,约为物种基因组全部基因数量的10%~20%,于1996年首次在完成全基因组测序的酵母基因组中大量发现。大规模测序技术的发展使谱系特有基因研究成为比较基因组学的研究热点,已在微生物、海洋低等生物、植物(如拟南芥、水稻、杨树)、昆虫及高等灵长类动物等多个物种或类群中展开,其生物功能对于阐明物种进化历程和生物适应性具有重要意义。文章介绍了谱系特有基因的研究背景和现状,从谱系特有基因获取、基因结构分析、进化起源、生物功能、表达特性分析等方面阐述谱系特有基因的研究进展,分析了存在的问题和后续研究方向,以期为相关研究提供参考。     

植物古基因组学研究进展

植物古基因组学是基因组学一个新兴分支,从现存物种中重建其祖先基因组,推断在古历史中导致形成现存物种的进化或物种形成事件。高通量测序技术的不断革新使测序读长更长、更准确,加快了植物参考基因组序列的组装进程,为古基因组学研究提供了大批量可靠的现存物种的基因组序列资源。全基因组复制(whole-genome duplication, WGD)亦称古多倍化,使植物基因组快速重组,丢失大量基因,增加结构变异,对植物进化极其重要。本文综述了植物基因组测序与组装研究进展、植物古基因组学的原理、植物基因组WGD事件以及植物祖先基因组进化场景,并对未来植物古基因组学研究进行了展望。     

细菌比较基因组学和进化基因组学

通过比较不同细菌基因组间差异性与相似性,进而深入研究其分子机理,最终与其表型特征联系起来,是为比较基因组学;不同细菌经过长期进化,其基因组在结构与功能上存在着明显的分化,并构成表型进化的遗传基础,大量细菌全基因组测序的完成,细菌进化基因组学应运而生;以比较基因组学为研究手段,细菌进化基因组学可从基因组水平深入认识物种分化、生境适应、毒力进化、耐药性产生蔓延等表型进化过程。     

鱼类特异的基因组复制

辐鳍鱼类是脊椎动物中种类最多、分布最广的类群,其基因组大小不等。过去的观点认为,在脊椎动物进化历程中曾发生了两次基因组复制。近期的系统基因组学研究资料进一步提出,在大约350百万年,辐鳍鱼还发生了第三次基因组复制,即鱼类特异的基因组复制(fish-specificgenomeduplication,FSGD),且发生的时间正处在“物种极度丰富”的硬骨鱼谱系(真骨总目)和“物种贫乏”的谱系(辐鳍鱼纲基部的类群)出现分歧的时间点,表明FSGD与硬骨鱼物种和生物多样性的增加有关。进一步开展鱼类比较基因组学和功能基因组学研究将进一步验证FSGD这一假说。     

主要禾谷类作物比较基因组学研究策略与进展

随着拟南芥、水稻等模式植物基因组测序计划的完成, 比较基因组学作为一门新兴学科, 近年来发展迅速, 为植物基因组的进化、结构和功能研究开辟了新的途径。文章综述了比较基因组学在作物比较遗传作图、基因结构区域的微共线性、ESTs和蛋白质水平的比较以及基于比较基因组学的基因和QTL的克隆等方面内容与研究进展, 分析了不同水平上比较基因组学研究策略的原理、特点、可行性, 以期为利用模式生物的基因和基因组数据、采用比较基因组学策略克隆作物重要性状功能基因、阐明基因组结构与进化提供帮助。     

植物基因组测序的研究进展

近年来,随着测序技术的不断发展,基因组测序技术渐趋成熟并在动物和植物基因组上获得了越来越多的成功,大量植物的基因组的草图和精细图不断地被公布出来。比较和分析了三代测序技术各自的特点,对测序前的准备、基因组组装、注释和比较基因组学等方面的研究进展进行了详细的评述,阐明了植物基因组研究的特点和难点。通过植物的全基因组测序,研究者不仅可以获得该植物基因组和重要功能基因的序列信息,为从分子水平研究植物的分子进化、基因组成和基因调控等提供了一定的依据,而且还对即将测序的植物基因组研究具有重要的借鉴意义。     

Plant pan-genomics: recent advances,new challenges,and roads ahead

Pan-genomics can encompass most of the genetic diversity of a species or population and has proved to be a powerful tool for studying genomic evolution and the origin and domestication of species, and for providing information for plant improvement. Plant genomics has greatly progressed because of improvements in sequencing technologies and the rapid reduction of sequencing costs. Nevertheless, pan-genomics still presents many challenges, including computationally intensive assembly methods, high costs with large numbers of samples, ineffective integration of big data, and difficulty in applying it to downstream multi-omics analysis and breeding research. In this review, we summarize the definition and recent achievements of plant pan-genomics, computational technologies used for pan-genome construction, and the applications of pan-genomes in plant genomics and molecular breeding. We also discuss challenges and perspectives for future pan-genomics studies and provide a detailed pipeline for sample selection, genome assembly and annotation, structural variation identification, and construction and application of graph-based pan-genomes. The aim is to provide important guidance for plant pan-genome research and a better understanding of the genetic basis of genome evolution, crop domestication, and phenotypic diversity for future studies.     

燕麦基因组学研究进展

燕麦具有较高的营养价值和保健功能,是一种可用于均衡营养、科学饮食的健康食品,正逐渐受到人们的青睐和认可。基因组学研究有助于燕麦重要农艺性状的定位和克隆,对开发利用燕麦优质种质资源具有重要意义。本文从以下几个方面对燕麦基因组学研究进展进行综述:(1)燕麦属基因组类型、大小及染色体倍性研究;(2)基于多种分子标记手段构建燕麦基因组遗传图谱进展;(3)二倍体、六倍体燕麦基因组测序进展;(4)基于数量性状基因座定位和全基因组关联性分析手段对燕麦基因组功能基因的注释研究;(5)燕麦群体基因组/泛基因组学研究。同时对燕麦基因组学研究方向进行了探讨,以期为今后燕麦遗传育种提供参考信息。     

锈菌类真菌基因组结构分析研究进展

锈菌种群庞大,可以引起许多重要经济作物和林木病害,严重威胁全球粮食和林业生产安全。全基因组分析为锈菌基因功能研究、毒性变异研究及锈菌演化规律研究提供了重要基础,为制定锈病有效防控策略和创制抗锈新材料提供理论依据。本文综述了目前锈菌全基因组分析领域的进展,对锈菌的基因组结构、基因组成、基因组变异等特征进行了归纳分析,对基因组变异与其专性寄生特性的关系、基因组变异对其毒性变异的可能影响等进行了阐述。基因组学将为最终揭示锈菌生活史复杂性和毒性高度变异性的根本成因提供有力工具。     

The microbial pan-genome

A decade after the beginning of the genomic era, the question of how genomics can describe a bacterial species has not been fully addressed. Experimental data have shown that in some species new genes are discovered even after sequencing the genomes of several strains. Mathematical modeling predicts that new genes will be discovered even after sequencing hundreds of genomes per species. Therefore, a bacterial species can be described by its pan-genome, which is composed of a "core genome" containing genes present in all strains, and a "dispensable genome" containing genes present in two or more strains and genes unique to single strains. Given that the number of unique genes is vast, the pan-genome of a bacterial species might be orders of magnitude larger than any single genome.     

Matrix-assisted laser desorption/ionisation, time-of-flight mass spectrometry in genomics research

The beginning of this millennium has seen dramatic advances in genomic research. Milestones such as the complete sequencing of the human genome and of many other species were achieved and complemented by the systematic discovery of variation at the single nucleotide (SNP) and whole segment (copy number polymorphism) level. Currently most genomics research efforts are concentrated on the production of whole genome functional annotations, as well as on mapping the epigenome by identifying the methylation status of CpGs, mainly in CpG islands, in different tissues. These recent advances have a major impact on the way genetic research is conducted and have accelerated the discovery of genetic factors contributing to disease. Technology was the critical driving force behind genomics projects: both the combination of Sanger sequencing with high-throughput capillary electrophoresis and the rapid advances in microarray technologies were keys to success. MALDI-TOF MS-based genome analysis represents a relative newcomer in this field. Can it establish itself as a long-term contributor to genetics research, or is it only suitable for niche areas and for laboratories with a passion for mass spectrometry? In this review, we will highlight the potential of MALDI-TOF MS-based tools for resequencing and for epigenetics research applications, as well as for classical complex genetic studies, allele quantification, and quantitative gene expression analysis. We will also identify the current limitations of this approach and attempt to place it in the context of other genome analysis technologies.     

高通量测序技术在动植物研究领域中的应用

高通量测序是核酸测序研究的一次革命性技术创新, 该技术以极低的单碱基测序成本和超高的数据产出量为特征, 为基因组学和后基因组学研究带来了新的科研方法和解决方案. 在动植物研究领域, 高通量测序引领了一次具有里程碑意义的科学研究模式革新, 科研人员可利用该技术在基因组、转录组和表观基因组等领域展开多层次多方面多水平研究. 本文就高通量测序技术应用于动植物基因组学和功能基因组学研究进展进行了系统阐述, 并对当前高通量测序技术的现状和热点及未来的发展趋势作了深入剖析和讨论.     

Genome Sequencing and Identification of Gene Function in Rice

Rice is known to be one of the most important crops for human consumption. As the model cereal crop, large-scale sequencing of rice genome must play quite important roles both in theoretical research and practical application in rice breeding, which announces the opening of another new way to resolve the world food crisis. At present, the emphasis of rice genome research has been transferred from structure genomics to functional analysis. The discovery of new genes and annotation of gene function was believed to be an important issue in functional genomics research. In this article, the sequencing and functional research of the rice genome were reviewed. These results may provide some useful clues for rice genetic engineering and breeding practices.     

水稻基因组测序及基因功能的鉴定

水稻是重要的粮食作物。作为单子叶模式植物,水稻基因组的大规模测序具有巨大的理论价值和现实意义。目前已获得了籼稻“93—11”和粳稻“日本晴”高质量的基因组数据,这为在基因组水平上深入研究其生长、发育、抗病和高产等的遗传机理提供了便利,从而为进一步解决世界粮食危机提供了新的突破口和契机。随着水稻基因组计划的顺利结束,其研究重心也已由建立高分辨率的遗传、物理和转录图谱为主的结构基因组学转向基因功能的研究。结构基因组学研究获得的大量序列数据为揭示和开发功能基因开辟了广阔的前景。目前,利用图位克隆和电子克隆等方法已成功分离了多个水稻抗病、抗虫、抗逆境、抗倒伏、高产、优质等重要农艺性状相关的基因,对培育水稻新品种,促进农业的可持续发展意义重大。据估计,水稻至少拥有3．7万个非转座因子相关的蛋白编码基因。因此,完成全基因组序列测定后,重要基因功能的鉴定已成为当前基因组学研究的主要目标。反向遗传学、大规模基因功能表达谱分析和蛋白质组研究等策略已在研究水稻重要基因的功能方面发挥了重要作用。文章综述了水稻基因组测序及基因功能研究的现状,并就新基因发掘和基因功能注释的方法作了评述,期待为水稻遗传工程和育种实践提供参考。     

多年生植物模式物种基因组研究的历史及进展

木本植物有许多不同于一年生草本植物的生物学特性,生物学家提出将木本植物 作为研究多年生植物的模式体系。杨属Populus树种由于研究基础较好且基因组较小,目前已 被广泛地接受作为多年生植物基因组研究的模式物种。随着杨属树种全基因组序列的测定, 杨属树种在多年生植物的功能基因组研究及一些基础科学问题的研究中将发挥重要作用。本 文综述了杨属树种基因组研究的历史、进展及将来的研究热点,旨在为我国多年生植物基因 组研究提供参考和借鉴。本文主要论述了以下几个方面的内容:（1）对杨属树种开展的细胞 遗传学研究;（2）在分子水平上对杨属树种进行的基因组研究,内容包括遗传作图、基因组 测序、物理图谱构建、基因芯片及连锁不平衡分析;（3）杨属树种基因组信息在探讨一些基 础科学问题中的潜在应用。