线粒体基因组的高通量测序策略

综述了高通量测序技术在线粒体全基因组测序中的策略,利用该技术对线粒体全基因组进行序列测定的方法可以归纳为两种,一种是先对目标mt DNA进行富集,包括mt DNA的提取纯化,目标区域PCR扩增法以及特异性探针杂交富集法(可分为基于微阵列和基于PCR探针的杂交富集法),然后对富集出的线粒体DNA进行高通量测序;另一种是先从待测样本的基因组高通量数据中挖掘出线粒体基因组序列信息,之后利用诱饵序列或者近缘物种的线粒体全基因组参考序列,使用软件MITObim对其进行组装。此外,还给出了线粒体高通量测序的优化流程图和介绍了混合样品的线粒体高通量测序策略。     

木本高山花卉马缨杜鹃的全基因组扫描分析

本研究采用高通量测序技术(Illumina Hiseq ~(TM)2000)首次对世界名贵园林花卉马缨杜鹃(Rhododendron delavayi)进行了基因组大小的测定,并评估了马缨杜鹃的GC含量、杂合率和序列重复度等信息参数,为马缨杜鹃全基因组测序策略的选择提供了有据参考。全基因组扫描结果如下:马缨杜鹃的基因组大小约为698 Mb,杂合率较高约为1.25%,GC含量约为39%,且具有一定的基因组序列重复度。研究表明:马缨杜鹃的全基因组测序分析不宜采用全基因组鸟枪法(WGS),可尝试WGS与fosmid或BAC-to-BAC相结合的测序策略,亦或采用杂合组装软件进行序列拼装,以提高全基因组序列的拼装质量。     

探索部分测序的基因组对元基因组分类的影响

很多分类软件在序列分类时,只能使用完全测序的微生物基因组序列作为参考库。然而,很多微生物没有完整的基因组数据,只有部分测序的数据。本研究旨在探究这些未完全测序的数据对微生物的分类有什么样的影响。本实验从NCBI上下载了细菌的完全测序的基因组数据和未完全测序的基因组数据。利用本实验室自行开发的序列模拟软件Ne SSM和短序列分类软件Meta Bin G,以hc、mc两个物种比例模拟出元基因组数据作为测试数据,以参考库CG(只含有完全测序的细菌基因组序列)和PCG(同时含有部分测序的细菌基因组序列和完全测序的细菌基因组序列)作为比对库,对测试序列进行分类,并按照门、纲、目、科、属、种的水平对分类结果的准确率和运行时间进行统计。结果显示不同分类水平下,参考库中添加入未完全测序的数据均能提高对微生物分类的准确性。     

蚯蚓基因组学的研究进展: 基于全基因组及线粒体基因组

蚯蚓被喻为土壤中的“生态系统工程师”, 具有高度的多样性且在全世界都有分布, 被用作土壤健康的指示生物。蚯蚓具有极强的环境适应能力, 在不断适应的过程中促进了自身基因组的进化。本文对近年来蚯蚓全基因组以及线粒体基因组的研究进展进行了综述。蚯蚓全基因组的测序、拼装和分析为研究蚯蚓生态学、污染物对蚯蚓致毒的分子机制、免疫防御的分子机制、蚯蚓再生的分子机制等奠定基础。而线粒体基因组多应用于蚯蚓分子系统发育方面的研究, 目前已有多种蚯蚓通过线粒体基因组测序完成了物种的鉴定。本文建议今后重点开展以下几方面的研究: (1)针对现有的4种蚯蚓全基因组测序结果, 进一步进行比较基因组学、进化基因组学和功能基因组学的研究。(2)完善不同种蚯蚓的基因文库和表达序列标签。(3)建立线粒体基因组、全基因组与蚯蚓物种多样性的关联分析。     

双斑萤叶甲基因组调研及线粒体基因组分析

双斑萤叶甲Monolepta hieroglyphica为杂食性鞘翅目害虫。近年来,该虫对我国农业的为害呈加重趋势,本文对双斑萤叶甲基因组进行调研及对线粒体基因组进行分析,为进一步的全基因组测序提供参考,并为双斑萤叶甲线粒体研究提供基础资料。本文采用Illumina Hiseq 2000测序平台对单只雌性双斑萤叶甲进行双末端测序,测序结果表明:双斑萤叶甲基因组大小约为2.4 Gb,重复序列含量约为52.61%,杂合率为0.67%,GC含量为30.29%。双斑萤叶甲基因组较大,但其基因组的杂合率和GC含量较低。利用基因组测序原始数据,借助NOVOPlasty软件直接提取基因组中线粒体基因组序列并进行组装,获得16 299 bp的双斑萤叶甲线粒体基因组。通过MITOS软件对线粒体基因组进行注释,斑萤叶甲线粒体基因组共有37个基因,包括13蛋白编码基因、22个转运RNA及2个核糖体RNA基因,以及1个非编码的控制区。其线粒体基因组基因排列方式与果蝇的模式排列相同,并未发生基因重排。进一步利用线粒体COX1蛋白构建的系统进化树,为双斑萤叶甲隶属于鞘翅目、多食亚目、叶甲科、萤叶甲亚科的分类地位提供了分子依据。并初步发现鞘翅目内各个物种遗传距离相对于昆虫纲下其它目的各个物种之间遗传距离较远。     

赤麂线粒体全基因组的序列和结构

提取赤麂细胞株总DNA,参照我们实验室已测定的同属动物小麂线粒体全基因组序列设计引物,PCR扩增、测序、拼接,获得赤麂线粒体全基因组序列并进行生物信息学分析。赤麂线粒体全基因组序列全长16354bp。定位了22个tRNA基因、2个rRNA基因、13个蛋白编码基因和1个D-loop区。赤麂与小麂及其它哺乳动物线粒体的基因组结构相同,它们的序列同源性都较高。     

一种新的线粒体基因组DNA捕获探针的制备及初步应用

目的:建立新的线粒体基因组DNA杂交捕获探针制备方法并用进行初步应用。方法:通过PCR技术扩增特异线粒体DNA片段,并与生物素偶联,最后与标记磁珠的亲和素混合获得捕获探针。并自行制备的线粒体基因组DNA文库捕获探针与肝癌全基因组测序文库进行液相杂交。分离捕获产物后PCR扩增并进行测序分析。结果:成功建立了线粒体基因组杂交捕获探针制备方法并成功分离线粒体基因组DNA;对测序数据的分析显示:90%以上测序数据来自线粒体基因组DNA,且覆盖率达到100%,且均一性良好。检测到的同质性变异位点数量和异质性变异位点数量与全基因组测序数据产生的结果接近(P=0.9152,P=0.8409)。结论:新方法制备的线粒体基因组DNA杂交捕获探针可以从全基因组文库中高效捕获线粒体基因组DNA测序文库。     

叶蝉线粒体基因组全序列结构研究进展

叶蝉种类多,数量大,并且广泛分布于全世界,主要生活在森林和草地上,均以植物为食,对蔬菜、禾谷类等经济植物产生危害。迄今,在NCBI中已收录27种叶蝉线粒体基因组全序列数据。本文概述了叶蝉线粒体基因组全序列的获取过程和分析方法,并且比较了PCR法和NGS在实际测序应用中的优缺点;从开展时间和研究空间两方面梳理了叶蝉线粒体基因组全序列研究现状;分析了27种叶蝉全序列结构的基因重叠、基因偏斜、PCGs基因、密码子使用、RNA基因和A+T富含区的基本特征;总结了叶蝉线粒体基因组在系统发育关系、分类鉴定以及不同地理种群之间的应用;同时基于以上研究,从研究数量、研究体系和研究应用三方面归纳了叶蝉线粒体基因组全序列现阶段研究中的不足,并对今后的研究工作予以展望。     

小麂线粒体基因组全序列的测定和分析

通过建立麂属动物小麂线粒体DNA文库、鸟枪法测序,获得了小麂线粒体基因组全序列并对其基因组成、蛋白质的编码序列、tRNA基因等结构作了详细分析,这也是国内有关哺乳动物线粒体基因组全序列的首次报道。与其他哺乳动物线粒体基因组全序列的比较研究发现：全长为16 354bp的小麂线粒体基因组同样编码13种蛋白质、2种rRNA和22种tRNA,除了用于调控线粒体DNA复制和转录的D-Loop区以外,小麂线粒体基因组各基因长度、位置与其他哺乳动物相似,其编码蛋白质区域和rRNA基因与其他哺乳动物具有很高的同源性。     

PhageGT：dsDNA噬菌体基因组末端分析软件

【背景】随着测序费用的降低,越来越多的科学家选择利用高通量测序技术研究噬菌体的基因组序列。通过对这些基因组数据的分析和研究,一些科学家也开发出了判断dsDNA噬菌体末端序列的方法,但这些方法是基于Linux系统下的命令,并没有在Windows操作系统下的软件。【目的】在Windows平台下开发一款免费的、可以在高通量测序获得的庞大序列文件中找到dsDNA噬菌体基因组末端序列的软件PhageGT。【方法】使用Visual Studio 2019开发一个基于对话框的微软基础类库(Microsoft Foundation Classes,MFC)应用程序。软件使用C++语言开发,逐行读取序列文件中的每条Reads,并设计相应的算法进行统计、计算。【结果】软件PhageGT可在高通量测序文件中提取出不同序列出现的频率、排序,并利用提取序列的最高频率和序列平均频率的比值(R值)判断噬菌体基因组是否存在末端序列。【结论】软件PhageGT的使用比较方便、简单。软件PhageGT和本文所利用的所有测试数据均可从https://zenodo.org/record/4674231#.YHADb-gzZxc免费获得。     

ABI PGM测序平台用于细菌基因组de novo测序的评价

为了探索加快细菌基因组研究的方法,利用ABI PGM测序平台测定了1株单细胞硫还原地杆菌的基因组序列。测序共获得1.4 Gbp数据,平均读长为177 bp。通过多个拼接软件并采用合适的组装策略,得到一个完整细菌基因组3.55 Mbp和一条完整质粒序列110 kbp。测定基因组序列与参考基因组kn400序列的相似性达到94%,参考基因组91%的基因能在测定基因组中找到相似基因。通过本研究表明采用ABI PGM测序平台结合灵活的拼接策略可快速构建细菌基因组精细图谱,为进一步的功能注释及深入的信息分析提供准确的数据,大大加快研究进程。     

高桥仁蚧线粒体全基因组测序与分析

【目的】测定和分析半翅目(Hemiptera)仁蚧科(Aclerdidae)首个线粒体全基因组——高桥仁蚧Aclerda takahashii线粒体全基因组序列,并探讨与其他蚧虫类群的系统发育关系。【方法】基于Illumina测序技术进行高桥仁蚧线粒体全基因组测序,并进行生物信息学分析;基于已报道的15科31种半翅目昆虫的线粒体全基因组序列运用最大似然法(ML)和贝叶斯推断法(BI)构建半翅目系统发育树。【结果】高桥仁蚧线粒体基因组全长16 599 bp, AT含量高达84.51%。在该线粒体基因组中,缩减tRNA非常普遍, 10个tRNA缺失二氢尿嘧啶(DHU)臂或TΨC臂, tRNAser(S1)和tRNAser(S2)缺失DHU臂和TΨC臂。系统发育树显示, 与仁蚧科亲缘关系最近的是蚧科(Coccidae)。【结论】本研究报道了首个仁蚧科的线粒体基因组, 发现在高桥仁蚧线粒体基因组中存在普遍的tRNA缺臂现象, 为进一步系统地研究蚧虫线粒体基因组提供了数据支持。     

卡介苗美国株全基因组测序缺口修补及序列

【目的】对卡介苗(Bacillus Calmette-Guerin,BCG)美国株(BCG Tice)进行基因组补缺口(补洞)工作,以得到它的基因组完整序列。【方法】首先对BCG Tice进行高通量测序,使用SOAPdenovo软件对得到的数据进行拼接。由于在高通量测序的过程中基因组某些区域测序覆盖度低,测序质量差会使测序结果经拼接后形成众多的重叠群(contig),相邻的位置关系确定的contig形成一个scaffold,contig之间未测到的区域为缺口序列(gap),在contig末端设计引物进行PCR扩增,得到连接相邻contig的PCR产物,对PCR产物进行测序。通过优化PCR引物设计策略,尝试不同的聚合酶进行聚合反应,调整PCR反应条件并结合PCR产物构建克隆测序等方法,补齐contig之间的缺口序列。【结果】完成了BCG Tice的全基因组测序,得到了它的基因组完整序列,序列已提交到美国国立生物技术信息中心(NCBI)的GenBank数据库。【结论】BCG属于高GC含量的革兰氏阳性细菌,其基因组GC含量高达65.65%。本文以BCG Tice基因组补洞为例,对高GC含量基因组补缺口过程中遇到的问题与采取的策略给予概述,望给相关高GC含量基因组的物种全基因组测序补缺口工作提供一些借鉴。     

复杂基因组测序技术研究进展

复杂基因组指的是无法使用常规测序和组装手段直接解析的一类基因组,通常指包含高比例重复序列、高杂合度、极端GC含量、存在难消除异源DNA污染的基因组。为了解决复杂基因组的测序和组装问题,需要分别从基因组测序实验方法、测序技术平台、组装算法与策略3个方面进行深入研究。本文详细介绍了复杂基因组测序组装相关的现有技术与方法,并结合复杂基因组经典实例介绍了复杂基因组测序的技术解决途径和发展历程,可为制订合适的复杂基因组测序策略提供参考。     

适于基因组测序的高纯度的大豆线粒体基因组DNA提取方法

为满足高通量二代测序要求,本研究采用大豆黄花苗为试材,结合差速离心、蔗糖密度梯度离心及超速离心方法提取高纯度大豆线粒体基因组DNA(mt DNA)。结果表明,差速离心能够有效去除核基因组掺杂;超速离心与蔗糖密度梯度离心结合能够有效去除叶绿体污染。提取的mt DNA经琼脂糖凝胶电泳、紫外光度计检测及叶绿体和细胞核特异性引物检测表明,该方法提取的大豆mt DNA无叶绿体DNA及核DNA污染,且纯度高,可满足测序等对线粒体高纯度的要求,为研究大豆线粒体相关性状的机理奠定了坚实基础。     

甜果螨全线粒体基因组测序与分析

【目的】测定和分析甜果螨Carpoglyphus lactis线粒体基因组全序列,并在线粒体基因组水平探讨其在真螨总目(Acariformes)中的系统发育地位,为真螨总目分类及果螨科线粒体基因组研究提供科学依据。【方法】挑取实验室饲养的甜果螨成螨,用传统的酚氯仿抽提法和试剂盒提取法提取甜果螨基因组DNA。然后采用节肢动物或螨类线粒体基因的通用引物PCR扩增出甜果螨线粒体基因cox1,cob,rrnS和nad4-nad5的部分序列;再设计种特异性引物进行Long-PCR扩增和步移法测序,测出甜果螨线粒体基因组全序列。应用SeqMan, SEQUIN 9.0和tRNAscan等生物信息学软件,对甜果螨线粒体基因组的基因结构等进行生物信息学分析。最后基于17种真螨总目螨类的蛋白质编码基因,采用最大似然法构建系统发育树。【结果】甜果螨线粒体全基因组总长为14 060 bp(GenBank登录号:MN073839),为典型的闭合双链DNA分子,共由37个基因组成,包括13个蛋白质编码基因(PCGs)、22个tRNA基因和2个rRNA基因;甜果螨线粒体基因组还包括1个大的非编码区(large non-coding region, LNR)。系统发育分析结果显示,甜果螨Carpoglyphus lactis属于无气门亚目粉螨总科(Acaroidae),与椭圆食粉螨Aleuroglyphus ovatus构成一支。粉螨总科(Acaroidae)和薄口螨总科(Histiostomatoidae)聚成一簇,与痒螨股(Psoroptidia)构成姐妹群。【结论】本研究首次获得并分析了甜果螨线粒体基因组全序列。甜果螨与椭圆食粉螨的亲缘关系较近。     

在玉米线粒体基因组内的叶绿体DNA序列

目前,研究家们发现除了在核基因中具有叶绿体DNA片段外,在许多种高等植物的线粒体基因组中也具有叶绿体DNA序列。采用限制性内切酶进行研究发现,在玉米线粒体基因组内至少存在三个重要的叶绿体DNA序列:(i)1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的大亚     

罗汉果全基因组Survey分析

罗汉果是广西特有药用及甜料植物,其主要成分之一甜苷V作为天然、非糖甜味剂,具有广阔的开发前景,但罗汉果目前完全来自于栽培,适生区狭窄,连作障碍严重,加之含量低导致甜苷V生产成本居高不下,严重限制了其应用。为了减少盲目性,在大规模全基因组深度测序之前,先做低覆盖度的基因组Survey测序,评价基因组的大小及复杂程度,以确定适合该植物全基因组的测序研究策略。该研究采用第二代高通量测序技术(Illumina Hiseq TM 2000)首次测定了罗汉果基因组大小,并利用生物信息学方法估计罗汉果杂合率、重复序列和GC含量等基因组信息。结果表明:(1)获得了18.1 Gb罗汉果基因组测序数据,基因组大小估计为344.95 Mb左右,测序深度为52×;(2)从K-mer分布曲线发现罗汉果基因组有明显的杂合峰,杂合率达1.5%,基因组高杂合导致组装的结果中Contig N50和Scaffold N50的长度比预期的要短很多,还造成GC平均深度及含量分布明显异常,存在一个低深度分布区域。基因组主峰后面有微弱的重复峰,说明罗汉果存在较多的重复序列;(3)由于罗汉果存在高杂合率和重复序列较多的特点,该基因组测序分析仅采用全基因组鸟枪法(WGS)策略不合适,为了更好地对全基因组进行序列拼接和组装,可尝试结合采用Fosmid-to-Fosmid或BAC-to-BAC策略。该研究结果对于揭示罗汉果产量、有效成分含量、发育及抗病虫的分子机制,以及通过分子育种来提高甜苷V含量和降低生产成本具有重要意义,为全基因组测序策略的选择提供了依据。     

枣食芽象甲线粒体基因组全序列测定与系统发育分析

【目的】从线粒体基因组水平上探讨枣食芽象甲Scythropus yasumatsui与近缘种的系统发育关系。【方法】利用Illumina MiSeq测序平台对枣食芽象甲线粒体基因组进行测序,对基因组序列进行拼装、注释和特征分析;利用贝叶斯法和最大似然法构建基于象甲科13个物种的线粒体基因组13个蛋白质编码基因核苷酸序列的系统发育树。【结果】结果表明,枣食芽象甲线粒体基因组全长为16 472 bp (GenBank登录号: MF807224),包含13个蛋白质编码基因、22个tRNA基因、2个rRNA基因和2个非编码控制区,37个基因的排列顺序与祖先昆虫的线粒体基因排列顺序一致。13个蛋白质编码基因的起始密码子为ATN,其中除了cob和nad1基因的完全终止密码子为TAG外,其余11个基因的完全终止密码子为TA(A)。22个tRNA基因中除了trnS1缺少DHU臂,反密码子由GCT变为TCT外,其余均能形成典型的三叶草结构。基于13个蛋白质编码基因序列构建的系统发育树结果显示,象甲科8个亚科系统发育关系为：(((隐喙象亚科(Cryptorhynchinae)+(象虫亚科(Curculioninae)+魔喙象亚科(Molytinae)))+长小蠹亚科(Platypodinae))+(粗喙象亚科(Entiminae)+Cyclominae亚科))+隐颏象亚科(Dryophthorinae)+小蠹亚科(Scolytinae))。【结论】在13种象甲科昆虫物种中,同属于粗喙象亚科的枣食芽象甲与南美果树象甲Naupactus xanthographus在系统发育树中聚为同一分支,表明基于线粒体基因组全序列的分子系统发育结果与传统的形态分类结果是一致的。     

中华卵索线虫线粒体基因组多态性分析

为完善昆虫病原索科线虫线粒体基因组全序列数据库, 更系统地研究其基因组特征和系统演化规律, 进而为发挥该线虫生防潜力打下基础, 我们开展了中华卵索线虫Ovomermis sinensis线粒体全基因组的研究。该研究通过线粒体基因组滚环复制及酶切图谱, 揭示了中华卵索线虫线粒体基因组具有种内遗传多态性, 即群体中单体线虫具有独特的酶切条带, 且条带累加之和变化范围较大, 为16.5～24.5 kb。为进一步了解线粒体基因组多态性特征及产生的分子机制, 采用两步长PCR方法对2条代表性成虫线粒体基因组进行了测序及拼接, 得其全长分别为18 864和16 777 bp。对这2条序列的比对表明, 线粒体基因组中位于ND2和ND4之间的可变区域, 不仅基因排列顺序不同, 且存在ND3基因重复现象, 这是导致中华卵索线虫线粒体基因组呈现多态性的主要原因。通过对以上研究结果的分析及与GenBank中已有的6种索科线虫线粒体基因组序列进行比对, 概括出其线粒体基因组基本特点: ①线粒体基因排列顺序各不相同;②部分线虫线粒体基因存在重复现象, 且重复次数不同;③线粒体基因组大小存在很大差异。