植物基因組研究思路（一）林木篇

隨著三代測序（PacBio和Nanopore）技術(shù)的不斷發(fā)展，已有越來越多的植物完成的基因密碼的破譯，然而在高質(zhì)量基因組破譯的基礎(chǔ)上，針對不同領(lǐng)域物種（如林木，中藥，農(nóng)作物，園藝作物，水生植物等）的基因組研究思路又是怎樣的呢？從本章節(jié)起，小編分期為各位讀者帶來植物領(lǐng)域物種研究思路，本期我們重點介紹下林木基因組研究思路。

林木是木本植物的總稱，包含喬木、灌木和木質(zhì)藤本之分，林木主要是種子植物。中國約有8000種林木。分為榕樹、楊樹、柳樹、柏樹、松樹等。由于林木的生長周期長，構(gòu)建家系群體耗時，難度較大，但自然種群居多，所以針對林木類基因組主要采用群體進(jìn)化及轉(zhuǎn)錄組等手段進(jìn)行相應(yīng)生物學(xué)問題的研究。

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林木基因組研究技術(shù)路線

 

林木基因組重點研究思路（一）基因組+群體進(jìn)化

案例（1）：開心果基因組

基因組組裝策略：Illumina+PacBio

基因組組裝結(jié)果：組裝基因組大小671 Mb；Contig N50=75.7 Kb；

群體進(jìn)化研究：群體材料選擇（重測序）：107個開心果（93個馴化+14個野生）、35個不同野生黃連木屬物種；

圖1 體進(jìn)化分析

研究結(jié)果1：揭示了開心果的兩步馴化過程（栽培種質(zhì)分為兩個群。栽培種Group I的LD值最高，栽培種Group II和野生開心果的LD衰減值相近。Group II包括 Qazvini，Italiaei和Badami Zarand在內(nèi)的5種類型的個體，且這些種質(zhì)被記錄為古代具有種子的材料）；

 

圖2 開心果株型群體馴化（野生/馴化）分析

研究結(jié)果2：在開心果中，基因組上約有 9.2 Mb 的區(qū)域被鑒定為具有高水平的群體分化，包含665個基因，其中開心果株型可能與 SAUR55 基因的選擇相關(guān)，同時該基因 表現(xiàn)出了顯著增加的表達(dá)水平；果實重量的變化發(fā)生在馴化與人工選擇期間（CYCD7-1基因）。

轉(zhuǎn)錄組研究：耐鹽機制研究；葉片和根（正常和鹽處理）；

圖3 開心果鹽脅迫下轉(zhuǎn)錄組分析

研究結(jié)果：轉(zhuǎn)錄組研究分析發(fā)現(xiàn)編碼幾丁質(zhì)酶的基因和參與 JA 生物合成途徑的基因可能有助于開心果適應(yīng)鹽水環(huán)境。

 

案例（2）：白桑基因組

 

基因組組裝策略：Illumina+Nanopore+Hi-C

基因組組裝結(jié)果：組裝基因組大小346 Mb；Contig N50=2.7 Mb；

圖1 白?；蚪M組裝結(jié)果

群體進(jìn)化研究：群體材料選擇（重測序：~15.6X）：134份桑樹種質(zhì)（132份栽培種，來自中國和日本；2份野生種，來自中國陜西）；

 

圖2 桑樹群體進(jìn)化分析

研究結(jié)果1：利用得到的14 Mb SNP對廣東桑以外的其余四種桑樹進(jìn)行了聚類分析，未得到與形態(tài)分類相似的聚類結(jié)果，基因組數(shù)據(jù)支持《中國植物志》中將白桑、魯桑、山桑和瑞穗桑這4種栽培桑樹種合并的結(jié)論。首次用基因組數(shù)據(jù)明確了栽培桑樹物種分類，認(rèn)為白桑、魯桑、山桑和瑞穗桑都屬于一個物種，即白桑（Morus alba?L）。

 

圖3 湖桑(NH-JP/π HU)馴化群體選擇研究

?研究結(jié)果2：湖桑祖先群體比非湖桑的祖先群體小，表明湖桑在太湖流域養(yǎng)蠶業(yè)的擴張過程中可能經(jīng)歷了強大的瓶頸或密集的人工選擇；湖桑群體選擇分析揭示馴化過程適應(yīng)性機制，發(fā)現(xiàn)與植物生長，防御反應(yīng)，茉莉酸途徑相關(guān)基因受到選擇（MDN1，HAB1，IQM1，SBT3）。

 

案例（3）：小墊柳基因組

基因組組裝策略：Illumina+Nanopore+PacBio+Hi-C

基因組組裝結(jié)果：組裝基因組大小339 Mb；Contig N50=9.52 Mb；

圖1 小墊柳基因組組裝結(jié)果

 

群體進(jìn)化研究：群體材料選擇（重測序，~22.1x），77個小墊柳（14個主要棲息地）；

 

圖2小墊柳群體進(jìn)化分析

 

研究結(jié)果1：小墊柳具有顯著的種群分化，盡管其具有長距離傳播的能力，但種群間的基因流微弱；小墊柳自晚中新世以來的群體波動與劇烈的氣候波動耦合，天空島效應(yīng)、多樣而異質(zhì)的生境和氣候波動可能是驅(qū)動小墊柳種內(nèi)群體分化的重要因素；

 

圖3小墊柳群體選擇（高/低海拔）分析

 

研究結(jié)果2：自然選擇在小墊柳高、低海拔群體中的作用區(qū)域和強度都具有顯著的差異，說明分布于橫斷山區(qū)海拔高差大、生境多樣而異質(zhì)的物種可能在自然選擇的作用下發(fā)生種下的種群分化（Sabra3G0034400DNA修復(fù)，Sabra12G0047600細(xì)菌防御應(yīng)答，Sabra16G0101100細(xì)胞對DNA損傷刺激的應(yīng)答和對寒冷的應(yīng)答）。

 

林木基因組重點研究思路（二）

基因組+全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）

案例：海棗樹基因組

基因組組裝策略：Illumina+PacBio+遺傳圖譜

基因組組裝結(jié)果：組裝基因組大小772 Mb；Contig N50=897.2 Kb；

圖1 海棗樹（BC4雄株）基因組組裝

 

群體GWAS研究：群體材料選擇（重測序，~11.3X；）：157個海棗品種（ 145 個雌性品種和 12 個雄性個體）；

 

 

研究結(jié)果：海棗性別決定區(qū)域映射到 12 號連鎖群的遠(yuǎn)端，而這與之前的研究結(jié)果一致；21 個果實性狀大多數(shù)性狀沒有顯著關(guān)聯(lián)；海棗果實顏色GWAS研究證實了之前的候選基因（4號連鎖群上~20 kb區(qū)域），表明油棕 VIR同源基因在海棗中控制紅/黃果實顏色多態(tài)性海棗糖分含量，定位到~1.1 Mb區(qū)域內(nèi)。

 

北京百邁客林木研究基因組合作文章（部分）