植物复杂基因组与泛基因组研究现状与展望

基因组是指一个生物体内遗传物质的总和,是生物学研究的关键之一.自2000年拟南芥基因组被测序发表以来,已有超过800个植物基因组相继被破解,极大促进了植物分子生物学、遗传学等领域的发展.即便如此,植物基因组学研究仍然面临一系列挑战,包括高杂合、高重复度、高倍性等复杂基因组的组装和泛基因组的构建等.本文从植物基因组学的发展概况、基因组测序技术、组装算法等三个方面,全面展示了植物基因组的快速发展.其中,介绍了简单基因组装和复杂基因组装的相关策略,总结了“端粒到端粒”(telomere-to-telomere或称T2T)的组装和泛基因组构建方法以及其重要性.最后,对未来植物基因组的发展进行了展望,认为随着技术的不断进步,基因组解析技术和方法将会更加完善,为植物基因组的深入研究提供更多支持.本文为植物T2T、复杂基因组组装和泛基因组的构建方法研究提供了参考依据.     

内蒙古草原不同基因组大小植物对氮水添加的响应

被子植物基因组大小的种间差异巨大,约为2400倍.基因组大小与植物从细胞核到个体水平的一系列性状密切相关,进而影响植物对环境变化的响应.作为水分和养分共同限制的生态系统,内蒙古草原植物群落对氮素、水分有效性变化的响应具有明显的种间差异,这种差异可能与种间基因组大小不同有关.本研究利用流式细胞术测定了内蒙古典型草原水分、氮素添加实验平台植物的基因组大小,研究了不同基因组大小植物地上净初级生产力(ANPP)和物种丰富度对水分、氮素添加及其交互作用的响应.结果表明:基因组大小显著影响了不同植物ANPP对水分的响应,小基因组植物ANPP对氮水添加响应更敏感,加水和氮水共同添加显著增加了小基因组植物ANPP,而大基因组植物ANPP对所有处理响应均不显著.加氮对大小基因组植物ANPP都无显著影响.大小基因组植物的物种丰富度对氮水添加的响应也均不显著.基因组大小影响内蒙古草原不同植物ANPP对水分增加的响应.作为植物细胞核水平上十分稳定且种间差异巨大的物种性状,将基因组大小引入生态学研究将对全球变化背景下生态系统结构与功能变化研究起到重要作用.     

植物功能基因组研究进展

随着植物基因组计划的深入,植物基因组学研究的重点已经转变为基因组功能的研究,即利用基因组序列的信息和高通量的系统分析技术,在基因组水平研究植物结构和组织与植物功能在细胞、有机体和进化上的关系.对功能基因组学研究的内容、方法以及最新研究进展进行了综述.     

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。     

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。     

植物病原生物基因组测序进展

随着基因组学的迅猛发展,越来越多的生物全基因组序列已经测定完成或正在进行之中。植物病原生物基因组序列的测定为理解植物与病原物互作分子机制有重要意义,并为植物病理学的发展作出了重要贡献。目前已有9种病原细菌和1种病原真菌的基因组序列彻底完成,另外还有更多的基因组草图正在组装或测序工作正在进行之中。对NCBI上主要的植物病原真菌和细菌全基因组测序进展作了整理和概述。     

基因组原位杂交技术及其在园艺植物基因组研究中的应用

基因组原位杂交(GISH)技术可以鉴定植物多倍体物种起源、杂种亲本染色体来源和组成,分析栽培种与其近缘野生种的亲缘关系,研究减数分裂染色体行为等。基因组原位杂交包括多色基因组原位杂交、比较基因组原位杂交和自身基因组原位杂交等。基因组原位杂交技术的关键步骤是染色体制片、探针制备及长度优化、探针与封阻的浓度比例和杂交后洗脱强度。该文对近年来国内外有关基因组原位杂交技术的发展及其在园艺植物基因组研究中的应用现状进行了综述,并指出随着多种园艺植物全基因组的测定,未来应从基因组信息中寻找更多的染色体特异性标记,结合荧光显带及荧光原位杂交技术,为深入研究园艺植物的起源以及遗传关系鉴定等提供技术支持。     

植物病毒双链RNA提取、研究进展

植物病毒病在世界各地广泛分布,大约90%的植物病毒基因组为单链RNA,当病毒侵染植物后利用寄主成分进行复制时,首先产生与基因组RNA互补的链,配对成双链模板,再以互补链为模板转录出子代基因组RNA。而正常的植物中往往不产生,而且ds-RNA对酶具有一定的抗性。通过对植物组织中ds-RNA的分析,可用于植物病毒的检测和诊断等研究。因此,植株中病毒ds-RNA的分离和鉴定,对病毒的研究和基因组解析具有重要意义。     

植物转座子与基因表达调控

植物转座子是植物基因组中可移动的DNA重复序列,在植物基因组进化、基因表达调控、系统发育和遗传多样性评价方面具有重要作用。综述了植物转座子分类、起源和转座机制以及转座子与宿主基因组间的表观遗传互作,阐述了不同转座子对基因表达调控方式,并对今后研究前景进行了展望,旨为全面了解植物转座子的功能提供参考。     

茄科植物线粒体基因组学研究进展

茄科植物作为第一大类蔬菜作物,其经济价值排在植物界第3位,在农业和科学研究等方面具有举足轻重的地位。目前已完成线粒体基因组测序的茄科植物有辣椒、烟草、番茄及天仙子,但有关茄科植物线粒体基因组学的研究较少。本综述从线粒体基因组测序现状、线粒体基因组的结构特点、线粒体基因组分析等3个方面介绍了茄科植物线粒体基因组学研究进展;以线粒体基因组学为基础,重点综述了茄科植物中广泛存在的细胞质雄性不育现象及其机理,为深入研究茄科植物细胞质雄性不育现象提供理论依据;并进一步总结了茄科植物线粒体基因组学对其他植物基因组学研究的参考价值。     

基因组编辑:植物生物技术的机遇与挑战北大核心CSCD

基于序列特异性核酸酶的基因组编辑技术可以在不同物种中对目标基因进行定点敲除,并可实现特定基因片段置换,基因的定点插入等基因组靶向修饰。基因组编辑是一种精准和高效的基因工程方法,近年来快速发展并得到了广泛的应用,并将改变生物技术的现状。目前,基因组编辑在不同植物,特别是农作物中的技术体系已建立,初步展示了其在植物生物技术领域的巨大潜力。介绍了不同基因组编辑系统的工作原理,并对基因组编辑技术在植物研究中的应用及成功案例进行了综述,最后对基因组编辑在植物生物技术领域所面临的机遇与挑战进行了讨论。     

菊科植物叶绿体基因组特征分析

基于高通量测量技术的发展,目前在GeneBank数据库中已获得了27种菊科植物叶绿体基因组全序列。尽管叶绿体基因组全序列在捕获进化事件的功能方面是有一定分歧的,但由于其高度的保守性和较低的进化速率,使其在不同物种间的系统进化研究中具有更好的统一性,从而使叶绿体基因组全序列成为一个更适合研究分子系统发育与分子生态学的宝贵工具。本研究对27种菊科植物叶绿体全基因组序列进行了系统分析,内容包括全基因组序列的大小,基因组容量,LSC,SSC,IR-LSC/SSC边界,假基因和DNA条形码等。基于上述信息,植物叶绿体基因组为菊科植物的分类鉴定和定位提供了更加准确的证据。     

植物基因组大小进化的研究进展

不同的真核生物之间基因组大小差异很大, 并与生物体复杂性不相关, 在基因组中存在大量的非编码DNA序列是造成这种差异的主要原因, 特别是转座子序列。文章综述了植物基因组大小差异以及引起这种差异的主要进化动力的最新研究进展。植物基因组多倍化和转座子积累是导致基因组增大的主要动力, 而同源不平等重组和非正规重组则是驱动基因组DNA丢失的潜在动力, 以制约基因组无限制地增大。文中还讨论了植物基因组大小进化方向, 即总体趋势是朝着增大的方向进化, 某些删除机制主要是削弱这种增大作用但不能逆转。     

WRKY转录因子的基因组水平研究现状

WRKY转录因子家族是植物中广泛存在、目前发现最大的转录因子家族之一;参与很多信号转导网络,调控多种植物发育和防御等进程。随着植物全基因组测序技术的兴起,全基因组鉴定和分析WRKY基因家族变得可能。2003-2006年,此类研究主要集中在模式生物拟南芥和水稻中。随着其他植物基因组测序的完成和公布,全基因组鉴定和分析WRKY基因家族的研究报道日益增多,这些研究不仅分析了各个植物WRKY家族的系统进化,而且用实时定量PCR、微阵列芯片、转录组RNA测序等新技术大规模研究了它们涉及到的生物学功能。主要综述了全基因组鉴定和分析WRKY基因家族的研究进展。     

栽培高粱、甜高粱和拟高粱比较基因组原位杂交分析

用一种植物的总基因组DNA与近缘或远缘物种的染色体杂交,可以研究植物近缘或远缘物种基因组进化关系。以拟高粱总基因组DNA为探针,对栽培高粱、甜高粱基因组进行杂交,结果表明栽培高粱、甜高粱和拟高粱基因组中重复序列存在很大的同源性,基因组进化关系表现出保守性。栽培高粱与拟高粱基因组间重复序列的同源性要比甜高粱与拟高粱间重复序列的同源性高。     

栽培高梁、甜高梁和拟高梁比较基因组原位杂交分析

用一种植物的总基因组DNA与近缘或远缘物种的染色体杂交,可以研究植物近缘或远缘物种基因组进化关系。以拟高粱总基因组DNA为探针,对栽培高粱、甜高粱基因组进行杂交,结果表明栽培高粱、甜高梁和拟高梁基因组中重复序列存在很大的同源性,基因组进化关系表现出保守性。栽培高粱与拟高粱基因组间重复序列的同源性要比甜高粱与拟高粱间重复序列的同源性高。     

基因组学技术大发展助力园艺植物研究取得新进展

园艺植物包括花卉、蔬菜、果树、部分瓜类(如西瓜(Citrullus lanatus)和甜瓜(Cucumis melo))和茶树(Camellia sinensis),在植物分类上涉及大量物种。园艺植物的基因组学和遗传学研究具有重要的理论价值和经济意义。基因组测序技术及相关生物信息学工具的发展为园艺植物基因组和分子生物学研究注入了新的活力。睡莲是一种重要的花卉植物,除了具有观赏价值,其进化地位也非常特殊,属于一种早期被子植物类群。最近,蓝星睡莲(N.colorata)的高质量基因组图谱绘制完成。通过系统分析和比较睡莲基因组与其它被子植物的基因组,研究者阐明了睡莲的进化位置及相关进化事件。所获得的高质量基因组序列将有助于园艺植物研究者开展深入的分子遗传学研究,鉴定到控制和调控花器官、花色花香及品质等众多性状的功能基因,从而推动基础研究的快速发展和加快新品种创制。     

基因组编辑技术在植物中的研究进展与应用前景

外源DNA导入细胞并与基因组靶基因发生同源重组可以精确修饰或替换靶基因,但在植物中产生自发同源重组的概率很低.近几年出现的人工改造核酸酶可以大幅提高同源重组的效率,实现基因组的精确、定向改造.其中,归巢核酸酶、锌指核酸酶和TALE核酸酶已在植物基因工程中得到成功应用,最近开发出来的基于CRISPR/Cas系统的基因组编辑技术则更具有高效方便等特点.这些人工核酸酶的应用为植物基因工程的发展呈现了更加美好的前景.首先介绍了基因组编辑技术及其发展历程,随后详细阐述了提高植物基因组定点编辑效率的策略,最后对基因组编辑技术在农业和植物基因工程上的应用进行了展望.     

基因组编辑:植物生物技术的机遇与挑战

基于序列特异性核酸酶的基因组编辑技术可以在不同物种中对目标基因进行定点敲除,并可实现特定基因片段置换,基因的定点插入等基因组靶向修饰。基因组编辑是一种精准和高效的基因工程方法,近年来快速发展并得到了广泛的应用,并将改变生物技术的现状。目前,基因组编辑在不同植物,特别是农作物中的技术体系已建立,初步展示了其在植物生物技术领域的巨大潜力。介绍了不同基因组编辑系统的工作原理,并对基因组编辑技术在植物研究中的应用及成功案例进行了综述,最后对基因组编辑在植物生物技术领域所面临的机遇与挑战进行了讨论。