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.     

拟南芥—植物界的“果蝇”

自 2 0世纪 80年代中期开始 ,没有任何经济价值的植物拟南芥 (Arabidopsis thaliana) ,被广泛用于植物遗传学、发育生物学和分子生物学的研究。近年来 ,植物科学中许多有价值的发现几乎都是以拟南芥为实验材料取得的 ,拟南芥已成为 1种典型的“模式”植物 ,被誉为植物界的“果蝇”。拟南芥之所以受到如此重视是由其自身特点所决定的。现就拟南芥的生物学特性、在植物科学研究中的应用及其基因组计划的进展情况作一简介。1　拟南芥的生物学特性拟南芥属十字花科拟南芥属的 1个种。其植株小、成熟个体高约 30 cm左右 ,形态特征简单。拟南芥的…     

国际植物基因组组织与计划概况及我国的应对策略

本文简要介绍了植物基因组领域主要的组织和计划,简单分析了国际植物基因组计划的特点和我国存在的问题,并初步提出我国的应对策略。     

高等植物基因组测序回顾与展望

全基因组序列测定为揭示植物重要性状形成的分子和遗传机制提供了强大工具,基因组学研究正开始指引着农作物新品种培育向定向化和精确化转变.在新一代测序技术的带动下,植物全基因组测序的热潮已经到来.对迄今开展的高等植物基因组测序工作进行简要回顾,并对未来的研究热点进行展望.     

日本的水稻基因组研究计划

日本的植物基因组计划(水稻基因组计划)从今年4月开始实施,该计划是根据水稻基因组研究顾问委员会(由13位专家组成)提供的报告制定的,现将该报告的内容简介如下。     

美国国家植物基因组计划资助情况分析

美国植物基因组计划（National Plant Genome Initiative,NPGI）于1998年正式启动,该计划在美国国家科学基金会（NSF）的支持下,成立了由美国农业部（USDA）、能源部（DOE）、国立卫生研究院（NIH）、国家科学基金会（NSF）、科学与技术政策办公室（OSTP）、管理与预算办公室（OMB）和美国国际开发署（USAID）等组成的植物基因组跨机构工作组（Interagency Working Group on Plant Genomes,IWG）,IWG每5年制定一项5年计划来指导协调基因组研究工作。对1998～2009年期间,美国国家科学基金会（NSF）资助国家植物基因组计划（NPGI）的目标、经费、项目变化情况进行了分析,以期得到某些启示和借鉴。     

杨树--林木基因组学研究的模式物种

林木植物是大多数生态系统中的主要生命形式,在所有陆地生态系统中具有最大的生物量和生物生产力,因此它具有重要的经济及生态价值。林木植物特有的多年生习性使其生物学研究相对困难,因此需要寻找一种适用于遗传学及分子生物学方法做精细分析的模式植物。杨属（Populus）植物作为林业研究的模式植物,具有优良的实验特性：容易进行种间杂交和无性繁殖;生长迅速,并已建立完善的遗传转化系统;基因组相对较小,约450～550Mbp;易于进行遗传研究;适应性强,生长速度快,丰产性强。自2002年起,美国能源部与多家研究机构正式启动了杨属植物基因组计划,目前已接近完成。本文综述了模式植物杨树及其基因组学的研究进展。     

杨树——林木基因组学研究的模式物种

林木植物是大多数生态系统中的主要生命形式, 在所有陆地生态系统中具有最大的生物量和生物生产力, 因此它具有重要的经济及生态价值。林木植物特有的多年生习性使其生物学研究相对困难, 因此需要寻找一种适用于遗传学及分子生物学方法做精细分析的模式植物。杨属(Populus)植物作为林业研究的模式植物, 具有优良的实验特性: 容易进行种间杂交和无性繁殖; 生长迅速, 并已建立完善的遗传转化系统; 基因组相对较小, 约450～550 Mbp; 易于进行遗传研究; 适应性强, 生长速度快, 丰产性强。自2002年起, 美国能源部与多家研究机构正式启动了杨属植物基因组计划, 目前已接近完成。本文综述了模式植物杨树及其基因组学的研究进展。     

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。     

药用植物基因组及EST研究

以生物信息学数据库GenBank的生物信息为基础 ,对包括《中国药典》2 0 0 0年版一部、《新编中药志》第 1～ 3卷、《中国大百科全书》(中国传统医学分册 )、中国医学科学院药物研究所编写的《中草药现代研究》及《天然药物化学》第三版中所涉及的 2 30 0多种药用植物的基因组、蛋白质及表达序列标签 (EST)的注册情况进行了初步统计 ,就相关进展进行了综述。到 2 0 0 3年 9月底截止的数据分析表明 ,66%的药用植物没有核酸序列报道 ,77%的药用植物没有蛋白质序列注册。进行药用植物基因组研究的植物与国家十分有限 ,而进行药用植物EST研究的国家相对较多 ,涉及的植物也相对集中 。     

植物基因组表达序列标签(EST)计划研究进展

植物表达序列标签(EST)计划是随机挑选cDNA克隆,并对其3′或5′端进行大规模一次性测序,将得到的150～500 bp长度的DNA片段与数据库中的序列进行比较,获得对基因组结构、组织、表达等认识的基因组研究策略.就近年来国际植物EST计划的实施情况、植物EST计划的研究范围、生物信息学在EST研究中的应用、EST数据库及查询、植物EST研究中遇到的问题等方面内容进行了综述.     

植物抗性基因研究新趋势

多种生物基因组的大规模测序结果表明,抗性基因在基因组上成簇存在,从结构基因组、比较基因组、功能基因组与生物信息学等方面论述了植物抗性基因研究的新趋势。     

基因组原位杂交的新进展及其在植物中的应用

基因组原位杂交 ( Genomic in situ hybridization GISH)是 2 0世纪 80年代末发展起来的一种原位杂交技术。它最初应用于动物方面的研究[1 ] ,但很快被植物方面所借用 ,并且使用频率高于动物方面的研究。它采用来自一个物种的总基因组 DNA作为标记探针 ,用另一物种的总基因组 DNA以适当的浓度进行封阻 ,在靶染色体上进行原位杂交。在封阻DNA和标记 DNA探针之间 ,封阻 DNA优先与一般序列杂交 ,剩下的特异性序列主要被标记探针所杂交。在此基础上 ,人们先后发展了荧光基因组原位杂交、多色基因组原位杂交和比较基因组原位杂交等技术 ,…     

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。     

CRISPR-Cas系统在植物基因组编辑中的研究进展

基因组定点编辑技术是研究基因功能和生物体改造的重要工具。CRISPR-Cas(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR-associated proteins)系统是近年来发展的一种新型基因组编辑技术,该技术通过一段向导RNA和配套的核酸酶就可对特定的基因组序列进行定点编辑,具有简单高效、应用广泛的特点,受到了生物学家的广泛关注。本文着重介绍CRISPR-Cas系统在植物中的研究进展,包括CRISPR-Cas9系统在植物中的应用与完善、扩大基因组编辑范围的研究、Cas9切口酶和失活酶的拓展、特异性单碱基突变编辑系统的研究、无外源DNA污染的植物基因编辑技术的发展以及基因组编辑技术在作物育种上的应用等方面。同时也提出了还需解决的问题,并展望了基因组编辑系统在作物育种中的应用前景,为开展这一领域的研究工作提供参考。     

微生物基因组研究

人基因组计划(Human Genome Project HGP)是一项国际性的研究计划,其目标是要把人基因组大约10万个基因、30亿对核苷酸定位和序列分析,是一项可与“人类登月计划”相比拟的空前浩大的工程,它的实施对医学和人类认识自身有着划时代的意义,它的完成对人类疾病的控制有极其重要的作用。要完成这样的项目,如果用传统的方法来进行,几乎是不可思议的,而各种自动化的大规模基因分析技术和计算机为基础的信息处理技术不断出现,大大加快了基因组分析的进程。对微生物基因组进行分析,在人基因组计划中仅是作为一种“模式生物”(model organism),用它们来试验方法,验证     

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。     

叶绿体基因组在系统发育学及基因工程领域的应用

介绍了叶绿体基因组在系统发育学和基因工程这两个领域的应用研究进展：1)叶绿体基因组的DNA序列比较为植物系统发育学研究提供了可靠数据基础;2)叶绿体基因工程是高水平表达外源基因的重要途径之一,在生产医用蛋白、改良作物农艺性状和环境保护等方面有着广阔的应用前景。     

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.     

揭开拟南芥基因组序列的奥秘

拟南芥植物的个体较小,生活周期短,很适于根农杆菌的转化,因此被认为是特别适合在实验室中进行遗传操作的模式植物。１９８７年,在美国密歇根州立大学召开的第三届国际拟南芥大会上,人们再次确认了这种植物的模式植物地位。由于拟南芥基因组较小,约１２０兆碱基对,而玉米和小麦的碱基对则大得多,前者约为２５００兆,后者１６０００兆。因此,拟南芥应是测定基因组序列最为理想的材料。另外,更为重要的是,尽管拟南芥的基因组没有在高等植物上普遍存在的大量DNA重复区,但它们却包含了植物发育、代谢、环境信号反应和抗病性等所…