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,...     

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。     

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.     

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。     

基因组信息的整合与植物功能基因组学研究的策略

近年来,随着许多植物基因组测序和可利用序列的增加,相继建立了一些基于靶基因诱变的“反向”遗传学研究策略,如T—DNA诱变、基因敲除、基因沉默和超表达分析等。同时,DNA微阵列和基因芯片技术的发展使得快速、定量检测植物发育不同时期和不同组织器官的基因转录时空变化成为现实。作图技术的改进和来自不同物种基因组信息的整合也正在加速图谱克隆程序的简化和发展。因此,随着生物基因组测序工作日益增多,整合不同类群植物基因组的信息和资源,在植物功能基因组学研究中的重要性日趋显著。     

基于高通量测序的群体基因组学——植物病原真菌研究新方向

群体基因组学能够从全基因组水平揭示种群结构与进化、物种形成、适应性机制等。随着高通量技术的不断发展,基因组测序成本不断降低,大规模测序已成为可能。近几年被全基因组测序的真菌数量迅速增加,极大地促进了真菌群体基因组学的发展,加深了人们对植物病原真菌起源、遗传多样性、选择作用、致病性、毒力因子、杀菌剂抗药性、寄主专化型等生物学特性的认识。本文简要介绍了植物病原真菌的全基因测序以及比较基因组学的研究进展,重点综述了基于高通量测序的病原真菌群体基因组学的最新研究动态。群体基因组学将成为植物病原真菌一个新的研究方向。     

泛基因组研究在遗传多样性和功能基因组学中的应用

相对于单个参考基因组仅聚焦于个体遗传信息的挖掘,泛基因组研究则能够反映整个物种或类群全部的遗传信息。随着基因组测序和分析技术的不断发展,泛基因组学逐渐成为新的研究热点,并已在植物、动物和微生物多个物种中获得了广泛应用,为全面解析物种或类群水平的遗传变异和多样性、功能基因组和系统进化重建等研究提供了强有力的工具,取得了很多显著的研究成果。尽管如此,由于泛基因组学研究尚处于发展阶段,测序费用和分析成本仍然较高,难以广泛普及; 且存在分析标准不一、数据挖掘不够全面深入、理论难以应用于生产实际等尚待解决的问题,仍有较大的发展空间。该文系统总结了泛基因组在生物遗传多样性挖掘和功能基因组学中的研究进展,主要包括其在泛基因组图谱的构建、基因组变异和有利基因的发掘、功能基因的多态性、群体遗传多样性和系统进化等多个领域中的应用和研究,探讨了其在不同领域的应用潜力。同时,讨论了目前泛基因组研究中存在的局限性和可能的解决方法,并对其将来的发展前景进行了展望。     

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。     

基于高通量测序的植物群体基因组学研究进展

作为群体遗传学一种新的表现形式,群体基因组学是将基因组概念和技术与群体遗传学理论体系相结合,通过覆盖全基因组范围内的多态位点的分布式样推测位点特异性效应和全基因组效应,从而提升人们对微进化的理解。近年来,随着第二代高通量测序技术的出现和改进,完成基因组测序的植物种类迅速增加,大规模的重测序也随之开展。与此同时,在一些尚未完成基因组测序的植物物种中,也开展了一些平行测序。这些重测序和平行测序极大地促进了群体基因组学的发展,加深了人们对相关植物种群在基因组水平上的遗传多样性、连锁不平衡水平、选择作用、群体历史及复杂性状的分子机理等群体基因组学方面的认识。本文简要介绍了群体基因组学的概念、研究方法等,重点综述了基于高通量测序的植物群体基因组学的研究动态,展望了植物群体基因组学的发展前景并讨论了存在的问题,以期为相关研究提供借鉴和参考。     

饲草基因组学研究进展

相比于粮食作物,饲草基因组学研究严重滞后,限制了饲草重要农艺性状解析以及分子设计育种的进程。近年来,随着对饲草需求的增加、测序成本的大幅降低以及测序和组装技术的快速发展,许多重要饲草的基因组已被测序和分析。该文综述了豆科、禾本科和莎草科18种饲草的基因组学研究进展,并展望了饲草基因组研究未来的方向。     

基于流式细胞术和K-mer分析的银缕梅属(Parrotia C.A.Mey.)植物基因组大小测定

金缕梅科(Hamamelidaceae)银缕梅属(Parrotia C.A.Mey.)仅包含银缕梅(Parrotia subaequalis(H.T.Chang)R.M.Hao&H.T.Wei)和波斯铁木(Parrotia persica(DC.)C.A.Mey.)两种落叶阔叶乔木,其中银缕梅是我国华东地区特有的Ⅰ级濒危珍稀保护植物,属东亚第三纪孑遗成分;其姊妹种波斯铁木则间断分布于伊朗北部,属北极第三纪孑遗植物类群。本研究首次利用流式细胞术和K-mer分析方法对银缕梅属两姊妹种的基因组大小进行了测定,建立和优化了以萝卜(Raphanus sativus L.‘Saxa’)为内标、WPB(Woody plant buffer)为细胞核解离液的两种植物单倍体基因组的DNA含量(DNA C值)流式测定的适宜体系,旨在为金缕梅科银缕梅属植物的全基因组测序、基因组学研究、种质资源开发和利用以及物种保育等提供前期基础数据参考;同时也可为金缕梅科其他属、种的基因组大小测定提供借鉴。主要研究结果如下:(1)通过流式测定银缕梅基因组大小约为971.45±13.91 Mb,波斯铁木基因组大小约为890.52±24.69 Mb;(2)K-mer分析估测银缕梅基因组大小为951.70 Mb,杂合率为1.740%,重复序列比例为77.50%;波斯铁木基因组大小为858.50 Mb,杂合率为0.695%,重复序列占74.30%;(3)银缕梅属于高杂合和高重复基因组,波斯铁木则属于微杂合和高重复基因组。本研究的结果为银缕梅属植物后续基于DNA三代高通量测序技术的全基因组测序、组装及去冗余处理等工作提供了重要的数据参考。     

结构基因组学研究与核磁共振

各种生物的基因组DNA测序计划的完成,将结构生物学带入了结构基因组学时代.结构基因组学是对所有基因组产物结构的系统性测定,它运用高通量的选择、表达、纯化以及结构测定和计算分析手段,为基因组的每个蛋白质产物提供实验测定的结构或较好的理论模型,这将加速生命科学各个领域的研究.生物信息学、基因工程、结构测定技术等的发展为结构基因组学研究提供了保证.近年来核磁共振在技术方法上的进展,使其成为结构基因组学高通量结构分析中的一个关键方法.     

重要花卉植物高密度遗传连锁图谱构建研究进展

遗传连锁图谱是以遗传标记间重组频率为基础的染色体或基因组内位点相对位置的线性排列图,高密度遗传图谱构建可实现物理图谱和遗传图谱的整合,对促进基因图位克隆具有重要作用。利用遗传图谱可有效地提高育种效率和改良品种。重要花卉植物高遗传图谱精密度尚无法满足精细定位研究的要求,百合、紫薇、郁金香、向日葵等重要花卉高密度遗传图谱构建研究较少,制约了花卉植物分子育种研究进程。概述了高密度遗传图谱构建流程及作图方法,综述了牡丹、梅花、月季、菊花、兰花、荷花、桂花等重要花卉植物遗传图谱构建研究进展,讨论了重要花卉植物高密度遗传图谱构建存在的主要问题,对今后重要花卉植物遗传图谱构建研究的发展方向及其在育种中的应用前景进行了展望,以期为花卉植物基因定位、辅助基因组组装、比较基因组学、基因克隆、分子标记辅助育种等提供参考。     

RAD-seq技术在基因组研究中的现状及展望

Restriction-site associated DNA sequencing(RAD-seq)技术是在二代测序基础上发展起来的一项基于全基因组酶切位点的简化基因组测序技术。该方法技术流程简单, 不受有无参考基因组的限制, 可大大简化基因组的复杂性, 减少实验费用, 通过一次测序就可以获得数以万计的多态性标记。目前, RAD-seq技术已成功应用于超高密度遗传图谱的构建、重要性状的精细定位、辅助基因组序列组装、群体基因组学以及系统发生学等基因组研究热点领域。文章主要介绍了RAD-seq的技术原理、技术发展及其在基因组研究中的广泛应用。鉴于RAD-seq方法的独特性, 该技术必将在复杂基因组研究领域具有广泛的应用前景。     

染色体分选技术在植物学研究中的应用

介绍了染色体分选技术的基本原理和样品处理的基本流程,对根尖分生区采用同步化处理,制备染色体悬浮液,最后通过流式细胞仪的分析与收集获得纯度高、数量多的目标染色体.综述了染色体分选技术在植物学研究中的主要应用,包括物理图谱的构建、DNA分子标记的开发、以及复杂多倍体植物的基因组测序等.通过染色体分选技术的不断完善与发展,应...     

基于比较基因组学揭示不同植物乳杆菌的遗传特征及菌株差异——以Lactobacillus plantarum P9和Lp-6研究为例

[目的]植物乳杆菌(Lactbacillus plantarum,L.plantarum)在食品、医药和动物养殖等多个领域均有应用。本文以L.plantarum P9和Lp-6为例,解析L.plantarum遗传背景和基因组特征,为其鉴定和开发奠定基础。[方法]本研究采用PacBio SMRT测序技术完成了L.plantarum P9和Lp-6全基因组测序,结合已公开的110株L.plantarum全基因组数据和1株模式菌株ATCC 14917T数据,通过比较基因组学方法探究L.plantarum基因组的差异。[结果]L.plantarum P9和Lp-6基因组大小分别为3314.1和3482.5 kb,GC含量(%)分别为44.38%和44.32%,二者分别含有8个和9个质粒。113株L.plantarum系统发育树结果显示,L.plantarum P9与L.plantarum ATCC 14917T遗传距离更近,L.plantarum Lp-6更接近祖先群体分支。与L.plantarum WCSF1相比,含有xerS等基因的22.0 kb基因组片段在L.planarum Lp-6上发生了倒位,在L.plantarum P9基因组中缺失;L.plantarum Lp-6染色体插入含tagF等基因的13.0 kb片段;包含gpmA等基因的14.4 kb基因片段插入到L.plantarum P9染色体中。[结论]通过比较基因组学方法解析L.plantarum P9和Lp-6遗传信息,发现不同L.plan tarum菌株的遗传特征存在差异。     

合成基因组学：设计与合成的艺术

随着基因组相关技术(测序、编辑、合成等)和知识(功能基因组学)的日益成熟,合成基因组学在本世纪迎得了发展的契机。病毒、原核生物的全基因组相继被化学合成并支持生命的存活,第1个真核生物合成基因组计划已经完成过半,人类基因组编写计划提上日程。在基因组合成的实践过程中,研究者们不断探索对基因组进行重编和设计所应遵循的规则,提高从头合成、组装和替换基因组的技术手段。合成基因组在工业、环境、健康和基础研究领域有着广阔的应用前景,同时也带来了相应的伦理问题。结合在Sc2.0计划中的基因组合成研究和近期合成基因组学所取得的重大进展,本文综述了基因组设计和合成相关的科学、技术和伦理内容,并探讨了未来发展所面对的挑战。作为合成生物学最重要的领域之一,合成基因组学方兴未艾。     

主要禾谷类作物比较基因组学研究策略与进展

随着拟南芥、水稻等模式植物基因组测序计划的完成, 比较基因组学作为一门新兴学科, 近年来发展迅速, 为植物基因组的进化、结构和功能研究开辟了新的途径。文章综述了比较基因组学在作物比较遗传作图、基因结构区域的微共线性、ESTs和蛋白质水平的比较以及基于比较基因组学的基因和QTL的克隆等方面内容与研究进展, 分析了不同水平上比较基因组学研究策略的原理、特点、可行性, 以期为利用模式生物的基因和基因组数据、采用比较基因组学策略克隆作物重要性状功能基因、阐明基因组结构与进化提供帮助。     

PNAS:科学家破解植物多倍化进化之谜

<正>中国农科院蔬菜花卉研究所王晓武团队和美国科学院院士迈克·菲林领导的团队合作,对植物基因组多倍化进化过程中基因分化和多基因组分化机理进行了研究。相关成果日前在线发表于美国《国家科学院院刊》。植物在进化过程中通过基因组加倍(多倍化)的扩增方式,进行自我进化和适应自然环境。随着DNA测序技术的快速发展,越来越多的植物基因组被公布,这使得通过比较基因组学阐明植物多倍化进化机制成为可能。