哺乳动物系统发育基因组学研究进展

哺乳动物是一类最进化并在地球上占主导地位的动物类群,重建其系统发育关系一直是分子系统学的研究热点。随着越来越多物种全基因组测序的完成,在基因组水平上探讨该类动物的系统发育关系与进化成为研究的热点。本文从全基因组序列,稀有基因组变异及染色体涂染等几个方面简要介绍了当前系统发育基因组学在现生哺乳动物分子系统学中的应用,综合已有的研究归纳整理了胎盘亚纲的总目及目间的系统发育关系,给出了胎盘动物19 个目的系统发育树。本文还分析了哺乳动物系统发育基因组学目前所面临的主要问题及未来的发展前景。     

系统发育基因组学研究进展

系统发育基因组学是利用全基因组数据构建系统发育树的新领域。全基因组数据能有效消除横向基因转移和类群间基因进化速率差异等因素对系统发育树的影响。根据所使用的全基因组数据的类型, 可以将系统发育基因组学方法分为以下5类：多基因联合建树方法, 基于基因含量的方法, 基于基因排列信息的方法, 基于序列短串含量特征信息的方法及基于代谢途径的方法。文章系统地总结了每一类方法的原理、速度、准确性、适用范围及在各个生物类群中的应用, 并对系统发育基因组学的前景及面临的挑战进行了概述。     

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。     

宏基因组研究的生物信息学平台现状

由Handelsman et al(1998)提出的宏基因组(metagenome)泛指特定环境样品(例如:人类和动物的肠道、母乳、土壤、湖泊、冰川和海洋等环境)中微生物群落所有物种的基因组。宏基因组技术起源于环境微生物学研究,而新一代高通量测序技术使其广泛应用成为可能。与基因组学研究相类似,目前宏基因组学发展的瓶颈在于如何高效分析高通量测序产生的海量数据,因此,相关的生物信息学分析方法和平台是宏基因组学研究的关键。该文介绍了目前宏基因组研究领域中主要的生物信息学软件及工具;鉴于目前宏基因组研究所采用的"全基因组测序"(whole genome sequencing)和"扩增子测序"(amplicon sequencing)两大测序方法所获得的数据和相应分析方法有较大差异,文中分别对相应软件平台进行了介绍。     

试栽羊肚菌分子系统分析

[目的]为了弄清陕西汉中试栽羊肚菌的种类归属。[方法]收集到汉中地区试栽羊肚菌子实体19个样品,采用CTAB法提取其基因组DNA,使用通用引物PCR扩增5个基因序列(ITS、LSU、EF1-α、RPB1和RPB2)保守区片段,用1. 0%的琼脂糖凝胶电泳对PCR产物进行检测,并对PCR产物送样测序。依据测序结果构建系统发育树,结合系统发育树进行物种归属鉴定。[结果]获取了所有样品的5个基因序列保守区片段,通过测序比对19个样品5个基因序列保守区片段并进行序列联合,对总长度3 025 bp的保守区序列分析并构建系统发育树,依据系统发育树鉴定出汉中试栽羊肚菌分别为六妹羊肚菌(Morchella sextelata)、梯棱羊肚菌(M. importuna)、隐形羊肚菌(M. cryptica)和北方羊肚菌(M. septentrionalis)。[结论]采用多基因联合分析法弄清楚汉中试栽羊肚菌的种类归属。     

丝兰属6种植物叶绿体基因组特征分析

为了理清丝兰属（Yucca）叶绿体基因组特征和序列变异情况,进行丝兰属植物叶绿体比较基因组学分析,并构建基于叶绿体基因组的系统发育树。利用高通量测序技术获得无刺龙舌兰（Y. treculeana）叶绿体基因组序列,结合丝兰属现已发表的叶绿体基因组,使用生物信息学方法对6种丝兰属植物叶绿体全基因组进行基本结构、重复序列、边界收缩与扩张以及序列变异分析等在内的比较基因组学研究,并进行系统发育分析。结果表明：6种丝兰属植物叶绿体基因组大小、基因的类型及数目相近,种间基因组结构比较保守;从丝兰属植物叶绿体基因组中检测到多条重复序列,其中SSR位点多是由单核苷酸、双核苷酸和四核苷酸组成,且偏好使用A、T碱基;根据核酸多态性指数π≥0.008,在6种丝兰属植物叶绿体基因组中筛选出了psbK-psbl-trnS-GCU、rpl20-rps12和ccsA-ndhD 3个高变异区域;基于叶绿体全基因组和LSC+SSC区序列构建的系统发育关系基本一致,确定了6种丝兰属植物间的系统发育关系,其中无刺龙舌兰与克雷塔罗丝兰（Y. queretaroensis）的亲缘关系最近。本研究测序获得了无刺龙舌兰叶绿体基因组,揭示了6种丝兰属植物叶绿体基因组特征和序列变异情况,明确了各物种间的亲缘关系,研究结果可为后续丝兰属植物分子标记开发及系统发育研究提供参考。     

植物内生固氮菌系统发育进化新进展

在植物内生固氮菌系统发育进化关系研究中,常用的方法有形态学与蛋白质水平法、数值分类和自动化鉴定法、化学分类法、分子遗传学方法等。本文简要介绍了常用方法的关键技术,并归纳了它们的优缺点。生物学的研究进入基因组时代后,随着高通量DNA测序技术在微生物学领域应用的迅速发展,全基因组测序被应用到微生物系统发育进化研究中,然而目前并未发现对已测全基因组序列的植物内生固氮菌进行系统总结。本文在对已测序植物内生固氮菌进行归纳的基础上,又详细研究了基于基因组数据的几种具有代表性的新方法(ANI分析法、最大唯一匹配指数法、核心基因组分析、组分矢量法、基因流动性分析),并结合目前系统发育进化研究常用方法,对植物内生固氮菌系统发育进化研究趋势进行总结和展望,旨在使植物内生固氮菌的系统发育进化关系研究在精确度、可靠性等方面有所突破。     

桃叶珊瑚属植物的叶绿体基因组结构特征及系统发育分析

为确定桃叶珊瑚属(Aucuba)植物叶绿体基因组的结构及其序列变异,揭示其属下种间亲缘关系,该研究对桃叶珊瑚(A. chinensis)、花叶青木(A. japonica var. variegata)等6种桃叶珊瑚属植物和丝缨花属植物黄杨叶丝缨花(Garrya buxifolia)进行二代测序,利用生物信息学软件对其叶绿体基因组序列进行组装和注释,并进行基本特征分析、序列比较以及系统发育分析。结果表明:(1)桃叶珊瑚属植物叶绿体基因组具典型的环状四分体结构,6条序列全长157 891～158 325 bp,均编码114个基因,包括80个蛋白质编码基因、30个tRNA基因和4个rRNA基因。(2)6种植物叶绿体基因组高频密码子数均为29个,偏好以A/U结尾,确定了这6条序列的最优密码子共100个,包含12个共有的最优密码子。(3)6条叶绿体基因组序列共检测到270条散在重复序列,133条串联重复序列以及412个SSR位点。(4)比较基因组学分析结果表明,该属植物叶绿体基因组序列高度保守。(5)从叶绿体基因组中筛选出10个高变片段。(6)系统发育分析结果显示支持桃叶珊瑚属为一个支持率较高的单系,与丝缨花属关系较近。该研究中的5种桃叶珊瑚属植物以及1种丝缨花属植物的叶绿体基因组均为首次测序组装,揭示了桃叶珊瑚属及其属下种间的系统发育关系,为桃叶珊瑚属植物的分类鉴定和系统发育提供了参考资料。     

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。     

猴樟叶绿体基因组特征分析

猴樟(Cinnamomum bodinieri)枝叶含有丰富的精油,是重要的园林绿化树种和经济树种,但目前有关猴樟基因组学的研究报道不多。为揭示猴樟叶绿体基因组特征及系统发育关系,该文基于高通量测序平台进行测序,从头组装了完整的猴樟叶绿体基因组,并对其基因组结构、基因构成及序列重复、密码子使用偏好性以及系统发育进行分析,结合樟亚科主要属物种叶绿体基因组数据构建系统发育树。结果表明:(1)猴樟叶绿体基因组全长152 727 bp,包括一对20 132 bp的反向重复(IRs)区、93 605 bp的大单拷贝(LSC)区和18 858 bp的小单拷贝(SSC)区,总GC含量为39.13%。(2)该基因组共编码127个基因,包括83个蛋白质编码基因(PCGs)、36个转运RNA基因(tRNAs)和8个核糖体RNA基因(rRNAs); 共鉴定出92个SSR位点,其中大部分是A/T组成的单核苷酸重复序列; 密码子适应指数(CAI)为0.166,有效密码子数(ENc)为54.68; 猴樟与近缘种的叶绿体基因组主要在IR区和2个SC区边界上存在一定的差异。(3)24种樟亚科植物的系统发育树显示,猴樟与樟树亲缘关系最近,同时支持了樟属-甜樟属分支(Cinnamomum-Ocotea Clade)、月桂属-新木姜子属分支(Laurus-Neolitsea Clade)、润楠属-鳄梨属分支(Machilus-Persea Clade)的建立。该研究丰富了猴樟遗传资源信息,进一步确定了樟亚科主要属的系统发育地位。     

鼠疫耶尔森氏菌的进化研究:从系统发育学到系统发育基因组学

20世纪90年代末起,基因组学在细菌研究中应用越来越广泛,尤其在进化领域,取得了一系列革命性的发现.本文以鼠疫耶尔森氏菌进化研究为例,介绍了从利用基因组中少数特定片段(等位基因)多态性进行分析的传统系统发育学,到基于大量菌株全基因组序列进行系统发育基因组学的研究发展历程,回顾讨论了基因组学技术的进步为鼠疫菌进化研究领域带来的成果.     

基因组时代的放线菌系统分类学及其研究进展

由于放线菌在生物技术、医药卫生和环境治理等领域中的实际重要性,已经成为人们研究得最为深入的微生物类群之一。现代放线菌分类学是建立在对16S rRNA基因保守分子序列的系统发育学分析基础上、综合利用多种微生物信息的多相分类学(polyphasic taxonomy)。随着大规模基因测序技术的飞速发展,已经完成了超过100株放线菌的全基因组序列。近年来发展起来的"基因组系统发育学"有助让人们更加系统地理解放线菌类群的发生、演化,以及不同生境类群之间的相互关系。随着越来越多的以系统发育学为指导的基因组测序研究项目,例如"细菌和古菌基因组百科全书(Genomic Encyclopedia of Bacteria andArchaea,GEBA)计划"的出现,标志着放线菌系统学进入了基因组学研究时代。本文对基因组时代的放线菌系统学方法,以及国内外的相关研究成果进行综述。     

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。     

应用生物信息学技术对植物表达序列标签(EST)的大规模分析

目前 ,一些基因组较小的植物 (如拟南芥 ,水稻等 )的全基因组已经基本完成测序 ,较大基因组的测序工作则主要集中在基因组中表达基因的测序上 ,表达序列标签 (EST)计划由此产生。研究表明 ,对EST进行大规模研究已成为功能基因组学研究的最佳途经之一。本文着重介绍和讨论应用生物信息学技术对植物EST数据的大规模分析。     

RAD-seq技术及其在昆虫学研究中的应用

限制性酶切位点关联DNA测序技术(restriction-site-associated DNA sequencing,RAD-seq)是在二代测序技术基础上发展起来的一种简化基因组技术(reduced-representation genome sequencing,RRGS)。RAD-seq利用限性核酸内切酶使基因组片段化,经过修饰后连接含标记的接头构建文库并进行测序。因其具有操作简单、实验成本低、通量高等优点,在分子生态学、进化基因组学、保护遗传学等领域得到应用。目前发展起来的RAD-seq技术主要包括利用稀有酶和物理打断方式进行基因组片段化的mbRAD、利用稀有酶和常见酶组合酶切的方式进行基因组片段化的ddRAD、利用IIB型限制性内切酶得到短片段文库的2bRAD、利用同裂酶和Illumina试剂盒建库的ezRAD和完全利用Nextera试剂盒建库的nextRAD。本文对每种RAD-seq技术的特点及其在昆虫种群遗传学、群落生态学、物种界定、系统发育和遗传连锁图谱构建等研究领域的应用进行了综述。     

乳酸菌基因组学研究进展

伴随着高通量测序技术的快速发展和测序成本的降低,越来越多的微生物基因组全序列测定得以实现,从基因组学的层面了解乳酸菌的遗传结构和组成,进而分析和掌握其生物学功能已经逐渐成为可能.迄今为止已经有22株乳酸菌的基因组完成测序并公开发表,还有至少12株测序工作仍在进行中.本文在分析相关文献和生物信息数据基础上,从乳酸菌基因组特点、代谢多样性、进化及共线性四个方面对乳酸菌基因组学研究进展进行了总结,旨在为乳酸菌研究和应用提供参考.     

病毒宏基因组学技术及其在医学领域的应用

病毒宏基因组学(Viral metagenomics,VM)无需知晓核酸序列,直接以环境中的病毒群落为研究对象,对研究环境中病毒的多样性、快速鉴定出已知和未知病毒,实时监测特定病毒的动态变化等具有重要价值。下一代测序(Next-generation sequencing,NGS)平台具备快速、自动化和高通量等综合优势,因此相对于一代Sanger测序技术,其测序能力大大提高。同时,近年来测序技术的不断改进、成本的不断降低、数据分析流程的普及以及对数据深入挖掘能力的显著性改进表明,在可预见的未来,病毒宏基因组测序将会成为常规检测项目,为未知病毒检测提供新的技术手段和思路。本文将从病毒宏基因组学的兴起,研究过程和在医学领域中的应用等方面进行综述。     

蚜蝇科昆虫线粒体基因组特征及系统发育研究

蚜蝇科昆虫是一类重要的资源昆虫,目前GenBank数据库共收录64种蚜蝇科昆虫线粒体全长基因组序列,涉及蚜蝇亚科(Syrphinae) 3族26种,管蚜蝇亚科(Eristalinae) 5族38种。本文总结了蚜蝇科昆虫线粒体基因组的基本特征,概述了线粒体全基因组在蚜蝇科昆虫系统发育研究中的应用,同时基于线粒体全基因组序列重建了蚜蝇科系统发育关系,并提出今后蚜蝇科昆虫的线粒体基因组学研究重点。     

毛竹基因组大小和序列构成的比较分析

毛竹(P. pubescens)是世界重要的竹类植物之一, 是中国分布范围最广、种植面积最大(占全国竹林总面积的2/3以上)、经济价值最高的竹种. 毛竹属于禾本科, 为四倍体(4x = 48), 是该科中特殊的草本植物. 禾本科中多个基因组已被或正在被测序, 但竹类植物基因组研究还未见报 道. 本研究以被测序的玉米(B73)和水稻(日本晴) 基因组作为内参, 利用流式细胞仪(FCM)获得大小约为2034 Mb毛竹基因组, 其与玉米基因组大小相仿, 远大于水稻基因组. 为了明确毛竹基因组是否与玉米基因组一样由大量重复序列组成, 进行了毛竹基因组随机测序, 获得近1000条基因组调查序列(GSS). 序列分析表明, 毛竹基因组的重复序列组成比例23.3%, 明显低于玉米(65.7%); 其重复序列主要由Ty1/Copia和Gypsy/DIRS1 2类LTR逆转座子(14.7%)构成, DNA转座子和其他重复序列比例均较低. 但由于测序数量等原因,该结果还有待今后更大规模的基因组测序分析. 本研究对毛竹和其他竹种的基因组学研究提供了一些有价值的基础数据, 同时该研究是第一次对竹类植物基因组的序列构成进行了初步描述.     

微生物基因组的生物信息学研究平台的建立*

随着人类基因组计划及其它测序工作顺利进行,人们已经得到了大量的基因序列。如何阐明这些序列的功能和意义,是功能基因组学的主要任务。生物信息学和比较基因组学为加速这一进程提供了有利的工具。该研究建立了对已经完成全基因组测序和部分测序的25种细菌的基因组的生物信息学研究平台,提供了WEB形式的服务(http://202.116.74.108)。25种细菌的全基因组蛋白质序列可以在NCBI的ftp://ftp.ncbi.nlm.nih.gov/geabank/genomes/bacteria下载。该系统可以按照基