基因组专题|作物基因组文章盘点
2019.10.10

基因组学研究的快速发展对各类作物的遗传育种和性状改良起到了重要作用,推动着农业生产的第二次“绿色革命”。目前利用以三代长读长测序为主的多平台技术已经完成了重要作物如水稻、小麦、玉米、大豆、油菜、棉花、白菜等的基因组测序工作,不仅组装获得了高质量参考基因组,而且通过进化分析以及性状定位,实现了控制重要农艺性状基因的定位和克隆,广泛应用于遗传育种和性状改良。下面与大家分享近两年发表的作物基因组高分文章,浅谈作物基因组的研究方向~


案例1 玉米基因组文章


文章名称:Genome assembly of a tropical maize inbred line provides insights into structural variation and crop improvement

发表期刊:Nature Genetics

发表时间:2019年5月

材料选择:热带小粒玉米品种SK自交系

测序策略:Illumina(229X)+PacBio(84X)+ Bionano Genomics(290X)+10X Genomics(160X)



组装结果


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研究结果


目前已发表玉米基因组材料都来自温带,用作参考基因组,不能全面揭示热带玉米的遗传多样性。该研究组装了迄今为止质量最高的热带玉米参考基因组,进一步利用热带玉米SK,温带玉米B73和Mo17基因组,以及521份玉米自交系的重测序数据,共鉴定出80,164个多态性结构变异,构建了玉米的结构变异图谱,为玉米重要农艺性状相关基因的定位提供了参考。同时该研究定位了一个同时控制粒型和粒重的数量遗传位点qHKW1,克隆了ZmBAM1d基因,该基因正向调控玉米粒重,且过表达和敲除该基因对其它农艺性状没有影响。因此,该基因可用于提高玉米的产量,对玉米的遗传改良具有重要作用。


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图1. SK基因组特征[1]


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图2. 结构变异特征分析[1]


案例2 大豆基因组文章


文章名称:A reference-grade wild soybean genome

发表期刊:Nature Communications

发表时间:2019年3月

材料选择:野生大豆W05

测序策略:Illumina(92.1X)+PacBio(77.7X)+Bionano Genomics(1025.6X)+Hi-C(127.1X)


组装结果


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研究结果


该研究组装了全球首个野生大豆高质量参考基因组,通过与栽培大豆Wm82和ZH13对比,基于QTL定位发现与颜色相关基因座发生倒位导致种皮颜色改变,以及栽培大豆11号和13号染色体之间发生了易位,影响了QTL性状相关的基因定位。其次还发现含有胰蛋白酶抑制剂(KTI)基因区域发生了拷贝数变异。该研究明确了野生大豆与栽培大豆之间的种皮性状差异以及遗传结构变异,为挖掘野生大豆丰富的基因资源,用以栽培大豆育种改良,提升优良农艺性状提供了重要基础。


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图3. W05基因组特征[2]


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图4. 与大豆种皮颜色相关结构变异分析[2]



案例3 糜子基因组文章


文章名称:Chromosome conformation capture resolved near complete genome assembly of broomcorn millet

发表期刊:Nature Communications

发表时间:2019年1月

材料选择:陇糜4号

测序策略:Illumina(116.4X)+PacBio(170.0X)+Bionano Genomics(235.2X)+Hi-C(140.2X)


组装结果


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研究结果


该研究组装了高质量的糜子参考基因组,重构了黍族系统发育,发现糜子中大约86%与谷子共线性的基因在糜子中都保留了两个拷贝,系统发育分析表明,糜子和谷子在1300万年前发生了分化,同时糜子的四倍体化发生在591万年内。高质量的糜子基因组序列不仅为糜子的遗传改良奠定坚实的基础,也将为柳枝稷等其他重要黍族作物的比较基因组学研究和遗传育种改良提供重要帮助。


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图5. Hi-C辅助基因组挂载热图评估[3]


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图6. 黍族系统发育分析[3]



案例4 棉花基因组文章


文章名称:Reference genome sequences of two cultivated allotetraploid cottons,Gossypium hirsutum and Gossypium barbadense

发表期刊:Nature Genetics

发表时间:2018年12月

材料选择:异源四倍体陆地棉G. hirsutum acc. Texas Marker-1(TM-1)和海岛棉G. barbadense acc. 3-79  

测序策略:Illumina+PacBio(80X+Bionano Genomics+Hi-C


组装结果


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研究结果


全球90%以上的纤维产量来自异源四倍体棉花,其中陆地棉产量高,海岛棉纤维品质高,更加细长强韧。该研究利用最新的三代测序技术组装棉花参考基因组,在连续性以及高度重复区的完整性方面相比二代测序技术组装的版本都有极大改进,通过比较基因组学分析,确定大部分结构变异发生在棉花基因组的异源多倍化事件之后,通过构建渐渗系和QTL定位,鉴定了13个与优质纤维质量相关的数量性状基因座,不仅促进了棉花功能基因组学与进化基因组学的研究,而且为将海岛棉优良纤维性状引入陆地棉,为培育高产优良异源四倍体棉花品种提供了重要基础。


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图7. 陆地棉和海岛棉基因组特征及表观遗传标记[4]


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图8. 陆地棉和海岛棉基因组变异特征分析[4]


总 结


通过以上多篇作物基因组文章案例,我们总结了作物基因组学最新的研究方向和趋势:

  • 基因组质量不断优化提升,利用以三代长读长测序技术为主的多技术平台结合的的组装策略,获得高质量的染色体水平参考基因组,能为后续的功能基因组学与进化基因组学研究打下坚实的基础。

  • 结构变异解析不断深入,结构变异已经成为研究作物野生种与栽培种、不同栽培种之间遗传多样性的新的切入点,弥补了过去以SNP研究为主的不足。

  • 追根溯源,通过比较基因组学研究和群体进化分析确立研究物种的起源和进化历程。

  • 泛基因组学研究是趋势,随着三代测序成本的不断下降,在未来基于高质量参考基因组的泛基因组学研究将为研究者提供更多有价值的信息。


参考文献:

[1] Ning Yang, Jie Liu, Qiang Gao, et al. Genome assembly of a tropical maize inbred line provides insights into structural variation and crop improvement[J]. Nature Genetics. 2019. 05.

[2] Min Xie, Claire Yik-Lok Chung, Man-Wah Li, et al. A reference-grade wild soybean genome[J]. Nature Communications. 2019. 03.

[3] Junpeng Shi, Xuxu Ma, Jihong Zhang, et al. Chromosome conformation capture resolved near complete genome assembly of broomcorn millet[J]. Nature Communications. 2019. 01.

[4] Maojun Wang , Lili Tu , Daojun Yuan, et al. Reference genome sequences of two cultivated allotetraploid cottons. Gossypium hirsutum and Gossypium barbadense[J]. Nature Genetics. 2018. 12.

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