10分鐘帶你了解泛基因組做些什么（干貨）

近年來，越來越多的研究表明，單一或者少數(shù)參考基因組不能涵蓋整個種群全部的遺傳信息，所以，構(gòu)建物種的泛基因組成了當(dāng)前基因組學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿。本篇文章，小編和大家一起來了解一下泛基因組的構(gòu)建方式、泛基因組的熱點(diǎn)研究內(nèi)容。

 

一、泛基因組的構(gòu)建策略

泛基因組構(gòu)建主要分為以下三種方式[1]：

（1）選取一個參考基因組，各個材料的測序reads分別比對，將未比對上的reads進(jìn)行組裝，通過“比對-組裝”的迭代過程構(gòu)建；

（2）所有材料進(jìn)行基因組從頭組裝，通過從頭組裝的基因組進(jìn)行相互比較來構(gòu)建泛基因組；

（3）基于變異圖的泛基因組構(gòu)建；

圖1 構(gòu)建泛基因的三種策略

 

當(dāng)前第一種和第二種策略使用的比較廣泛，例如，番茄的100泛基因就是采用的第一種策略構(gòu)建的泛基因組[4]；27個大豆項目、7個擬南芥，14個果蠅等都是采用第二種策略[3,5,6]。大豆的泛基因組也初步嘗試使用了第三種策略，并進(jìn)行了GWAS關(guān)聯(lián)分析[3]。第三種策略是理想的構(gòu)建策略。它基于圖論的組裝方法，利用有向圖把基因組分成若干部分，很好地展示每部分序列在泛基因組中的位置關(guān)系。相對于第一種和第二種策略，構(gòu)建泛基因組圖的技術(shù)和算法尚未成熟，因此目前應(yīng)用還較少，不過，未來可期。

 

二、泛基因組的應(yīng)用與研究

 

1. 泛基因組揭示遺傳變異與表型變異的關(guān)系

泛基因組可以結(jié)合GWAS數(shù)據(jù)，有效提高GWAS 的準(zhǔn)確性，捕獲到更加完整的遺傳變異信息。通常，GWAS分析是將個體材料與參考基因組進(jìn)行比對，然后將得到的 SNP 與表型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，當(dāng)GWAS 分析參考基因組不存在的功能基因引起的表型時，會出現(xiàn) GWAS 定位區(qū)間與實際功能基因之間較大偏差甚至檢測不到的情況。但以泛基因組為參考基因組，把結(jié)構(gòu)變異作為基因型數(shù)據(jù)用于 GWAS 分析，可以有效解決這類因單一參考基因組而導(dǎo)致的信息不全問題。例如，油菜以泛基因組鑒定到的 PAV 為基因型進(jìn)行GWAS 分析，直接鑒定到基因BnaA9.CYP78A9啟動子區(qū)存在一段 3.9 kb 的插入，該變異嚴(yán)重影響油菜的角果長和粒重[2]。結(jié)構(gòu)變異相關(guān)的GWAS研究更具有新意，也是后續(xù)研究的熱點(diǎn)。

圖2 油菜角果長和粒重的GWAS分析

2.泛基因組揭示了結(jié)構(gòu)變異影響基因差異表達(dá)

結(jié)構(gòu)變異可能會通過改變基因區(qū)或基因側(cè)翼區(qū)的序列影響基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控及表達(dá)。如，基因的串聯(lián)重復(fù)可能會引起基因劑量的變化，外顯子的復(fù)制可能會引起可變剪接，順式作用元件區(qū)的插入或缺失可能會破壞或者改變轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子結(jié)合位點(diǎn)。例如，大豆14號染色體上存在一個調(diào)控Fe2+/Zn2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因SoyZH13_14G179600，一些品種的基因組中，該基因的啟動子區(qū)存在一個1.4kb的缺失，RNA-seq數(shù)據(jù)分析顯示，該啟動子缺失會使轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)量降低[3]。

圖3 大豆啟動子缺失影響基因表達(dá)

 

3.泛基因組揭示了結(jié)構(gòu)變異在種群馴化中的作用

泛基因組擁有群體完整的基因組多樣性，可以為植物進(jìn)化與馴化研究提供更完整、更寬泛的支持。如大豆的種皮顏色是大豆馴化過程中的一個重要表型性狀，從野生大豆的黑色種皮演變成栽培大豆的黃色種皮，是因為一個查爾酮合成酶基因發(fā)生序列倒置或序列復(fù)制后倒置導(dǎo)致了該基因沉默。通過大豆泛基因組單倍體型進(jìn)化分析，將29份材料分為5個主要的單倍型(H1- H5)，并對不同單倍體型馴化時間和順序進(jìn)行了研究，剖析了大豆種皮顏色馴化的歷史[3]。

圖4 大豆種群馴化

問題和展望:

泛基因組是近年來研究的熱點(diǎn)，?然而目前泛基因組領(lǐng)域還需解決以下兩方面的問題。首先，不同泛基因組研究中，樣本量的選擇，基因組的測序、組裝，泛基因組的構(gòu)建策略，序列注釋，判斷基因有無變異（PAV）的方法等都有很大的差別，這就導(dǎo)致了即使同一種物種，不同實驗室構(gòu)建的泛基因組序列及基因有無變異結(jié)果等也不能直接進(jìn)行比較。其次，如何更好地利用泛基因組鑒定出的變異數(shù)據(jù)，將遺傳變異和重要的表型性狀關(guān)聯(lián)起來， 是泛基因組應(yīng)用研究的關(guān)鍵和挑戰(zhàn)。

泛基因組作為參考基因組，相對傳統(tǒng)的單一參考基因組，能呈現(xiàn)更加全面的種群基因組信息。隨著泛基因組的構(gòu)建方式和分析策略的逐步完善，未來利用泛基因組，會高效地輔助解決功能基因組學(xué)研究的難題，為育種家在尋找合適的育種親本和育種方法上提供支持。如果您對泛基因組測序感興趣，歡迎點(diǎn)擊下方按鈕聯(lián)系我們，我們將免費(fèi)為您設(shè)計文章思路方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] Philipp E. Bayer, et al. Plant pan-genomes are the new reference. Nature Plants, 2020.

[2] Jia-Ming Song, et al. Eight high-quality genomes reveal pan-genome architecture and ecotype differentiation of Brassica napus. Nature Plants, 2020.

[3]?Yucheng Liu, et al. Pan-Genome of Wild and Cultivated Soybeans.Cell,2020.

[4]?Michael Alonge, et al. Major Impacts of Widespread Structural Variation on Gene Expression and Crop Improvement in Tomato. Cell, 2020.

[5]?Mahul Chakraborty, et al. Structural variants exhibit widespread allelic heterogeneity and shape variation in complex traits. Nature Communications, 2019.

[6] Wen-Biao Jiao, et al. Chromosome-level assemblies of multiple Arabidopsis genomes reveal hotspots of rearrangements with altered evolutionary dynamics. Nature Communications, 2020.