三种蚜虫的线粒体基因组数据

完整的线粒体基因组已被广泛应用于分子进化、基因组学、系统发育等方面的研究。蚜虫是一类重要的农林业害虫, 但目前公开报道的蚜虫完整线粒体基因组非常有限, 因此获得更多的基因组数据对相关研究具有重要价值。本文报道了榕毛管蚜(Greenidea ficicola)、橘二叉蚜(Aphis aurantia)和油杉纩蚜(Mindarus keteleerifoliae) 3种蚜虫的完整线粒体基因组的序列、详细注释信息、基因结构图、密码子使用情况等。该数据集可为昆虫系统发育关系、种群分化格局、害虫防治等方面的工作提供帮助。     

全基因组测序在重要家畜上的研究进展

全基因组测序研究主要包括通过不同测序技术和组装比对方法,获得某物种的全基因组序列图谱,及在此基础上构建物种全基因组遗传变异图谱进行个体或群体遗传多样性、选择信号或起源进化等方面的研究。利用单核苷酸多态性(SNP)、插入和缺失(Indel)和拷贝数变异(CNV)等遗传变异作为分子标记,全基因组测序研究已经在家畜起源进化、驯化、适应性机制、重要经济性状候选基因、群体历史动态等方面取得了许多重要的研究成果。本文主要对近几年全基因组测序在常见家畜(猪、马、牛、羊等及其近缘物种)的取得的重要研究成果进行了综述,并讨论了全基因组测序的优势、缺点及在生产中意义。此外,对基因组测序研究的未来发展进行了归纳及展望,以期为今后家畜重要经济性状的功能基因定位和物种起源、驯化研究提供参考。     

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。     

微生物单细胞基因组技术及其在环境微生物研究中的应用

单细胞及单细胞基因组学研究是近年生命科学研究的热点之一,微生物单细胞基因组学研究是继微生物元基因组学(又称宏基因组学,Metagenomics)之后新发展起来的,可有效获取环境中大量无法培养的微生物遗传信息的技术。微生物单细胞基因组技术包括单细胞获取、全基因组扩增、全基因组测序以及数据分析等步骤,目前该技术在环境微生物研究中的应用主要集中于探索未被元基因组技术或其它常规技术探测到的新型功能基因,或是对环境中物种丰度极小的未培养微生物的发现,以及对微生物细胞生命进化过程的研究等。本文对微生物单细胞基因组技术中单细胞获取和全基因组扩增所涉及到的不同方法以及应用此技术对环境微生物取得的主要研究进展进行综述。     

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,...     

象甲科线粒体基因组特征及系统发育分析

昆虫线粒体基因组广泛应用于系统发育关系的重新建立、分子进化、谱系地理学及物种诊断等领域。为揭示象甲科昆虫线粒体全基因组序列的主要结构特征,探究其系统发育相关信息,为进化遗传学研究和分子标记选取等提供参考依据,本研究利用比较基因组学和生物信息学方法,对NCBI上已公布的35种象甲科物种线粒体全基因组序列进行了分析。结果显示:(1)象甲科tRNA基因存在排序及数目异常情况,不同物种中蛋白质编码基因和2种rRNAs排列相同,线粒体全基因组具有明显AT偏向;(2)COX1、ATP6、ND5、ND4、ND4L和ND1基因除标准三联密码子外,还存在特殊的起始密码子AAT、TTG和GTG;(3)13种蛋白质编码基因的进化速率顺序为COX3ATP8ND2ND5ND1ND4ND6ND4LND3ATP6CytbCOX1COX2;(4)13个蛋白编码基因和rRNAs基因中,ND5、rrnL、ND4和ND2基因变异位点数较高,可作为备选的分子标记;(5)各亚科的系统发育关系可能为(((小蠹亚科Scolytinae+长小蠹亚科Platypodinae)+(隐喙象亚科Cryptorhynchinae+魔喙象亚科Molytinae+象虫亚科Curculioninae)+((孢喙象亚科Cyclominae+粗喙象亚科Entiminae)+(隐颏象亚科Dryophthorinae+长小蠹亚科))),为象甲科的系统发育分析有提供参考。     

山鹧鸪属鸟类线粒体基因组的比较及系统发育研究

海南山鹧鸪(Arborophila ardens)对生境选择比较严格,种群数量稀少,属于濒危物种。为进一步研究山鹧鸪属的进化和系统发育关系,文章利用Illumina Hiseq2000高通量测序技术获得了海南山鹧鸪线粒体全基因组序列,从比较基因组学角度分析了4种山鹧鸪鸟类的线粒体基因组特征,并探讨了山鹧鸪属鸟类的系统发育地位。研究结果表明：(1) 海南山鹧鸪线粒体基因组长度为16 730 bp,编码13个蛋白质编码基因、2个核糖体RNA基因、22个转运RNA基因以及1个控制区;(2) 山鹧鸪属物种受到了纯化选择的作用,且在进化过程中积累了更多的非同义替换;(3) 山鹧鸪属位于雉科鸟类系统树的基部位置,其中白眉山鹧鸪与红喉山鹧鸪互为姐妹群,海南山鹧鸪位于山鹧鸪属的基部位置,与其他3种山鹧鸪鸟类的亲缘关系较远。     

鞘翅目昆虫线粒体基因组研究进展

鞘翅目（Coleoptera）是世界上最具多样性的类群,具有很高的生态和形态多样性,这些多样性吸引了很多进化生物学家和分类学家的关注。随着分子生物学的发展,分子生物学技术广泛应用于鞘翅目系统学的研究,但随着研究的深入,简单的分子片段已经不能满足研究的需求,需要发掘更新的分子标记。近年来,线粒体全基因组已经成为鞘翅目分子系统学研究中很重要的分子标记之一,并广泛地应用于鞘翅目昆虫各个阶元的研究中。本文就鞘翅目线粒体全基因组的概况、研究进展及存在问题进行了总结和讨论。目前,鞘翅目线粒体基因组的研究主要包括物种线粒体基因组组成与结构、分子系统学和分子进化等方面。线粒体基因组在解决系统发育和进化方面表现出了很多的优越性,然而也存在着一些缺点,如序列难获得、基因类型单一、各基因进化速率不同、应用较局限等。     

中国地鼠线粒体基因组的序列分析与分子进化

目的 获得中国地鼠线粒体基因组序列,为线粒体疾病模型提供分子数据.方法 参照近缘物种的线粒体基因组序列,设计27对特异引物,采用TD-PCR及测序技术获得了中国地鼠的线粒体全基因组序列,分析了其基因组特点和各基因的定位.还结合GenBank中已发表的其他5种啮齿类动物的线粒体基因组序列,探讨啮齿类动物不同科间的系统进化关系.结果 中国地鼠线粒体基因组全长为16 283 bp,碱基组成为33.53％A、30.50％T、12.98％G、22.80％C,包括13个蛋白质编码基因、2个rRNA基因、22个tRNA基因和1个非编码基因控制区.中国地鼠和金黄地鼠亲缘关系最近.结论 中国地鼠线粒体基因组各基因长度、位置与典型的啮齿类动物相似,其编码蛋白质区域和rRNA基因与其他啮齿类动物具有很高的同源性,显示线粒体基因组在进化上十分保守.5种动物的分子系统进化树与传统分类地位一致.     

社鼠（Niviventer confucianus）线粒体基因组全序列分析

社鼠（Niviventer confucianus）属于啮齿目（Rodentia）、鼠科（Muridae）、白腹鼠属（Niviventer）,关于该物种的分子系统学研究极少。为获取社鼠线粒体基因组全序列,提取其基因组总DNA,参照近缘物种线粒体基因组全序列设计34对特异性引物,利用PCR扩增全部片段后进行测序,之后对其基因组组成及结构特点进行了初步分析。结果表明,社鼠线粒体基因组全序列长16 281 bp（GenBank收录号：KJ152220）,包含22个tRNA基因、13个蛋白质编码基因、2个rRNA基因和1个非编码控制区;基因组核苷酸组成为34.0%A、28.6%T、24.9%C、12.5%G。将所得序列与社鼠近缘物种（川西白腹鼠、小家鼠、褐家鼠）的线粒体全基因组进行比较,结果显示,四个物种的线粒体基因组虽然在基因组大小、部分tRNA二级结构、部分蛋白质编码基因的起始或终止密码子及控制区长度和碱基组成上有差异,但基因组结构和序列特征方面都具有较高的相似性。四个物种线粒体全基因组间的遗传距离显示,社鼠与川西白腹鼠距离最近,而与小家鼠距离最远。该研究为利用线粒体全基因组信息进行啮齿类分子系统学研究提供了有价值的资料。     

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。     

蚯蚓生物标记物在土壤生态风险评价中的应用

蚯蚓在土壤中行使了很多重要的生态功能,蚯蚓生物标记物常用作土壤污染风险评价研究。这篇综述的目的是探讨当前蚯蚓生物标记物研究是否可以应用到实际的土壤污染风险评价。1)讨论了蚯蚓生物标记物在土壤污染风险评价体系中的重要性,认为它是化学分析方法的有益补充,可以提供更为全面和客观的土壤污染信息;2)综述了相关研究中所使用的蚯蚓类型,土壤类型和生物标记物类型,及其它试验设计要素和最后结果的变异,认为目前蚯蚓生物标记物研究以实验室基础研究为主,筛选出了大量的生物标记物,一定程度上揭示了生物标记物的对各类典型污染物及其组合的应答机制;同时也认为,未来的蚯蚓生物标记物研究应该重点探讨将其应用到实际的土壤污染风险评价中的可行性及如何应用;3)目前不同研究之间从试验设计到结果都具有很大的变异,难以通过综合比较获得完全可靠的具有实践意义的结论和成果,因此,有必要通过建立标准化的蚯蚓生物标记物研究方法,推动生物标记物的研究工作;4)提出了蚯蚓生物标记物研究方法标准化的具体建议,推荐了蚯蚓生物标记物走向实际应用所需要解决的问题。     

蚯蚓在生态系统中的作用

蚯蚓能够对许多决定土壤肥力的过程产生重要影响, 被称为“生态系统工程师”。它通过取食、消化、排泄和掘穴等活动在其体内外形成众多的反应圈, 从而对生态系统的生物、化学和物理过程产生影响。蚯蚓在生态系统中既是消费者、分解者, 又是调节者, 它在生态系统中的功能具体表现在: (1) 对土壤中有机质分解和养分循环等关键过程的影响; (2) 对土壤理化性质的影响; (3) 与植物、微生物及其他动物的相互作用。蚯蚓活动及其在生态系统中的功能受蚯蚓生态类群、种群大小、植被、母岩、气候、时间尺度以及土地利用历史的综合控制。蚯蚓外来种入侵与生态系统的关系以及蚯蚓对全球变化的响应和影响是两个值得关注的问题。土壤本身的复杂性, 蚯蚓自然历史和生物地理学知识的缺乏, 野外控制蚯蚓群落方法的滞后等都限制了蚯蚓生态学的发展。其他新技术如研究养分循环的碳氮同位素分析和揭示土壤微结构的图像分析等技术的应用是蚯蚓生态功能研究的迫切需要。     

蚯蚓在我国南方土壤修复中的应用

蚯蚓作为生物量最大的土壤动物, 对土壤生态系统和环境质量影响深远。本研究介绍了华南地区主要应用的皮质远盲蚓(Amynthas corticis)、毛利远盲蚓(A. morrisi)、壮伟远盲蚓(A. robustus)、参状远盲蚓(A. aspergillum)、南美岸蚓(Pontoscolex corethrurus)和赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)的生态特征, 阐述了它们与土壤pH值、酶活性、金属富集和有效性改变、孔道和微团聚体形成之间的紧密关系: (1)蚯蚓生存的土壤酸碱性范围较广(pH为3.8-7.9), 其存活率与土壤类型、有机质含量和成分、土壤污染程度和蚯蚓种类相关; (2)肠道内、蚓粪和蚓触圈的酶活性分别表征了蚯蚓取食喜好、土壤养分循环及微生物种群特征; (3)蚯蚓能够富集不同种类的金属并改变其有效性, 这些变化具有蚓种间、金属种类间和土壤类型之间的差异; (4)蚯蚓活动及其生产的蚓粪能改变土体结构、产生孔道、影响土壤团聚体数量、大小和分布。蚯蚓的上述作用使其在解决中国南方红壤酸化、土壤金属污染、茶园土壤养分不平衡、高速公路建设临时用地土壤损毁等方面具有广阔的应用前景。目前, 由于华南远盲蚓的生理特征差异研究较少, 远盲蚓繁育技术的缺乏一定程度上限制了这些蚯蚓在中型和大型尺度下应用技术的研究和推广。有必要进一步挖掘蚯蚓在土壤修复中的潜力, 进行蚯蚓主导的相关技术研发, 深入探讨其影响机制。     

海南岛蚯蚓物种组成及其系统发育分析

海南岛独特的地理位置和复杂的古地理事件使其成为我国生物多样性的热点地区。已有的海南岛蚯蚓资料显示, 该岛的蚯蚓区系十分特殊, 且与大陆地区蚯蚓存在扩散与迁移。然而, 当海南岛与周围大陆断开形成独立岛屿后, 海南岛蚯蚓如何为适应海南岛的环境而逐渐形成现在岛内的分布与区系, 仍然是一个值得研究和探讨的问题。因此, 本研究在海南岛全面调查和采集蚯蚓标本, 整理海南岛地区的蚯蚓物种组成及其地理分布特征, 并联合5个线粒体基因COⅠ、COⅡ、ND1、12S rRNA和16S rRNA构建海南岛蚯蚓的分子系统发育树, 推测其分化时间和祖先分布区域, 探讨海南岛蚯蚓在岛内的分化与扩散过程。研究结果表明: (1)海南岛共有蚯蚓6科9属122种, 巨蚓科蚯蚓为优势科, 且全部为环毛类蚯蚓, 其中103种为海南岛特有种。蚯蚓物种数沿海拔呈先增加后减少的趋势, 在800‒1,000 m最大; (2)海南岛环毛类蚯蚓不同水平的遗传距离与我国巨蚓科蚯蚓的遗传距离区间基本一致。物种水平上, 美丽远盲蚓(Amynthas scitulus*)与纬向远盲蚓(A. zonarius)的基因遗传距离最小。在亚种水平, 保宁腔蚓指名亚种(Metaphire magna magna)和保宁腔蚓小型亚种(M. magna minuscula)的遗传距离均接近整体的物种水平。在种群水平, 等毛远盲蚓(A. homosetus)不同种群间遗传距离均接近整体的亚种水平; (3)海南岛环毛类蚯蚓可划分为7个类群, 其祖先于68.26 Ma开始分化, 可能起源于吊罗山。在新生代, 7个类群均得到较大发展。通过对海南岛蚯蚓组成及系统发育的梳理, 不仅为我国蚯蚓物种多样性研究提供基础资料, 也为岛屿蚯蚓物种系统发育关系分析提供科学参考。     

A whole‐genome,radiation hybrid mapping resource of hexaploid wheat

Generating a contiguous, ordered reference sequence of a complex genome such as hexaploid wheat (2n = 6x = 42; approximately 17 GB) is a challenging task due to its large, highly repetitive, and allopolyploid genome. In wheat, ordering of whole‐genome or hierarchical shotgun sequencing contigs is primarily based on recombination and comparative genomics‐based approaches. However, comparative genomics approaches are limited to syntenic inference and recombination is suppressed within the pericentromeric regions of wheat chromosomes, thus, precise ordering of physical maps and sequenced contigs across the whole‐genome using these approaches is nearly impossible. We developed a whole‐genome radiation hybrid (WGRH) resource and tested it by genotyping a set of 115 randomly selected lines on a high‐density single nucleotide polymorphism (SNP) array. At the whole‐genome level, 26 299 SNP markers were mapped on the RH panel and provided an average mapping resolution of approximately 248 Kb/cR₁₅₀₀ with a total map length of 6866 cR₁₅₀₀. The 7296 unique mapping bins provided a five‐ to eight‐fold higher resolution than genetic maps used in similar studies. Most strikingly, the RH map had uniform bin resolution across the entire chromosome(s), including pericentromeric regions. Our research provides a valuable and low‐cost resource for anchoring and ordering sequenced BAC and next generation sequencing (NGS) contigs. The WGRH developed for reference wheat line Chinese Spring (CS‐WGRH), will be useful for anchoring and ordering sequenced BAC and NGS based contigs for assembling a high‐quality, reference sequence of hexaploid wheat. Additionally, this study provides an excellent model for developing similar resources for other polyploid species.     

Towards a whole‐genome sequence for rye (Secale cereale L.)

We report on a whole‐genome draft sequence of rye (Secale cereale L.). Rye is a diploid Triticeae species closely related to wheat and barley, and an important crop for food and feed in Central and Eastern Europe. Through whole‐genome shotgun sequencing of the 7.9‐Gbp genome of the winter rye inbred line Lo7 we obtained a de novo assembly represented by 1.29 million scaffolds covering a total length of 2.8 Gbp. Our reference sequence represents nearly the entire low‐copy portion of the rye genome. This genome assembly was used to predict 27 784 rye gene models based on homology to sequenced grass genomes. Through resequencing of 10 rye inbred lines and one accession of the wild relative S. vavilovii, we discovered more than 90 million single nucleotide variants and short insertions/deletions in the rye genome. From these variants, we developed the high‐density Rye600k genotyping array with 600 843 markers, which enabled anchoring the sequence contigs along a high‐density genetic map and establishing a synteny‐based virtual gene order. Genotyping data were used to characterize the diversity of rye breeding pools and genetic resources, and to obtain a genome‐wide map of selection signals differentiating the divergent gene pools. This rye whole‐genome sequence closes a gap in Triticeae genome research, and will be highly valuable for comparative genomics, functional studies and genome‐based breeding in rye.     

单细胞自由生物基因组全序列的测定和比较基因组研究

近几年来五种单细胞生物的基因组计划得以完成。本文介绍了从五种生物的全基因组序列获得的一些成果,包括全基因组鸟枪法测序、基因组分析和新比较基因组等三个方面,并对生物基因组计划的研究方法作一些探讨。     

一株新的产吡咯喹啉醌甲基营养菌全基因组测序和比较基因组学分析

【背景】由于甲基营养菌被发现的时间较短,而且可以生产吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone,PQQ)的甲基杆菌属细菌只有少数菌株的全基因组序列被公布,增加了该类细菌基因组学和生物代谢途径研究的难度。【目的】将本实验室筛选的PQQ生产菌经多种诱变方式处理,用于提高PQQ的发酵产量。对高产突变菌株进行全基因组解析,以探究甲基杆菌PQQ合成的分子机制,为后续分子育种提供序列背景信息。【方法】将野生型PQQ生产菌株进行紫外诱变、亚硝基胍诱变、甲基磺酸乙酯诱变、硫酸二乙酯诱变和紫外-氯化锂复合诱变。将突变菌株利用PromethION三代测序平台和MGISEQ-2000二代测序平台测序,然后进行组装和功能注释。组装得到的全基因组序列与模式菌株扭脱甲基杆菌AM1 (Methylobacterium extorquens AM1)进行比较基因组学分析。【结果】经11轮诱变获得一株突变菌株NI91,其PQQ产量为19.49 mg/L,相较原始菌株提高44.91%。突变菌株NI91的基因组由一个5 409 262 bp的染色体组成,共编码4 957个蛋白,与模式菌株M. extorquens AM1比较发现其PQQ合成过程中剪切加工相关的基因pqqF和pqqG缺失,但首次在甲基营养菌中发现与基因pqqF具有相似功能的基因pqqL,且基因pqqC/D的序列存在较大差异。【结论】为甲基营养类细菌甲基杆菌的功能基因组学研究及PQQ合成机理研究提供了基础数据支持,NI91与模式菌株M. extorquens AM1的比较基因组学分析为揭示PQQ合成的不同机理提供了分子基础。     

Sequencing technologies and genome sequencing

The high-throughput - next generation sequencing (HT-NGS) technologies are currently the hottest topic in the field of human and animals genomics researches, which can produce over 100 times more data compared to the most sophisticated capillary sequencers based on the Sanger method. With the ongoing developments of high throughput sequencing machines and advancement of modern bioinformatics tools at unprecedented pace, the target goal of sequencing individual genomes of living organism at a cost of $1,000 each is seemed to be realistically feasible in the near future. In the relatively short time frame since 2005, the HT-NGS technologies are revolutionizing the human and animal genome researches by analysis of chromatin immunoprecipitation coupled to DNA microarray (ChIP-chip) or sequencing (ChIP-seq), RNA sequencing (RNA-seq), whole genome genotyping, genome wide structural variation, de novo assembling and re-assembling of genome, mutation detection and carrier screening, detection of inherited disorders and complex human diseases, DNA library preparation, paired ends and genomic captures, sequencing of mitochondrial genome and personal genomics. In this review, we addressed the important features of HT-NGS like, first generation DNA sequencers, birth of HT-NGS, second generation HT-NGS platforms, third generation HT-NGS platforms: including single molecule Heliscope™, SMRT™ and RNAP sequencers, Nanopore, Archon Genomics X PRIZE foundation, comparison of second and third HT-NGS platforms, applications, advances and future perspectives of sequencing technologies on human and animal genome research.