自20世紀末人類基因組被破譯以來，整個生命科學研究至今都處在“基因組浪潮”中。人們對生物的認識不再是簡單依據(jù)實驗觀測和描述，而是能夠通過基因組數(shù)據(jù)系統(tǒng)的深入解析內(nèi)在規(guī)律[1]。近年來，隨著測序技術(shù)的不斷發(fā)展，科研工作者能夠更快更便捷的獲得更完整、質(zhì)量更高的基因組參考序列，使得基因組的研究不再是“奢侈品”。早期較為“粗糙”的基因組正不斷迭代更新，而超大、超復雜物種也已逐漸被國內(nèi)外學者一一破譯。同時，品種化、細致化、多樣化的研究需求，使得動植物基因組研究進入泛基因組時代。
基因組研究技術(shù)可為動植物序列多態(tài)性、物種栽培與馴化、基因定位、基因編輯、精細育種等提供精準信息。破譯基因組已逐漸成為一種基礎(chǔ)且必要的研究，但是如何才能對基因數(shù)據(jù)深入挖掘，又如何展開研究呢？
為了能更好的服務(wù)動植物基因組學上的研究，本次以系列高分文章作為切入點，以基因組為基礎(chǔ)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、代謝組、表觀遺傳、群體分析等多組學手段，整合最新多基因組聯(lián)合分析方式，通過相應(yīng)的方案設(shè)計及研究方法進行概述。擬通過文中的方案適用范圍、分析流程及方法優(yōu)勢上讓更多基因組學相關(guān)研究者尋找到最適合自己的路徑。
方案一 基因組與轉(zhuǎn)錄組，深入挖掘基因表達信息
技術(shù)介紹
一個物種基因組的成千上萬個基因各司其職，在不同組織、時期、環(huán)境下表達，從而能夠翻譯出對應(yīng)不同生長需求或不同環(huán)境條件的蛋白，達到生長發(fā)育或應(yīng)急響應(yīng)等目的。基因的表達量常被用來定量評估基因的轉(zhuǎn)錄水平?！?strong>時空特異性、組織特異性】
獲得高質(zhì)量的基因組，將使多倍體高重復等復雜物種的轉(zhuǎn)錄分析準確性更高，研究結(jié)果更具可靠性?；蚪M結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析，使得基因功能研究不再僅僅依靠原來的RNA-seq水平的研究，可以從基因序列結(jié)合變異信息和基因表達共同研究生物學問題，使問題研究更深入。
技術(shù)路線
適用范圍
- 特異性狀 根源基因挖掘
- 生長發(fā)育重要調(diào)控機理
- 差異基因及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
- 全基因組動態(tài)表達圖譜
- 多倍體優(yōu)勢亞基因組探尋等
高分案例
植物案例
英文名：A mini foxtail millet with an Arabidopsis-like life cycle as a C4 model system[2]
中文名：一種類擬南芥生命周期可作為C4模型研究的小型谷子
期刊：Nature Plants（IF：13.256）
合作單位：山西農(nóng)業(yè)大學
主要研究內(nèi)容：
作者利用 EMS 誘變技術(shù)篩選到一個超早熟突變體“xiaomi ”。解決了谷子作為 C4禾谷類模式植物無法在室內(nèi)大規(guī)模培養(yǎng)的難題。在此基礎(chǔ)上，高質(zhì)量參考基因組（組裝出 429.94 Mb，其中 399.4 Mb 通過 Hi-C 錨定在 9 條染色體上（掛載率~93%）。BUSCO 評估結(jié)果為 97.78%）。“小米”品種間變異分析比較（SNP、InDel、PAV、特有基因）結(jié)合健全的生育期基因表達圖譜和谷子多組學數(shù)據(jù)庫（http://sky.sxau.edu.cn/MDSi.htm），快捷、高效穩(wěn)定的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化體系極大地方便了“小米”功能基因組學研究。
動物案例
英文名：Genomic and transcriptomic insights into molecular basis of sexually dimorphic nuptial spines in Leptobrachium leishanense[3]
中文名：雷山髭蟾角質(zhì)刺形成分子基礎(chǔ)的基因組及轉(zhuǎn)錄組學研究
期刊：Nature Communications（IF：12.121）
合作單位：華中師范大學
主要研究內(nèi)容：
作者以雷山髭蟾為研究對象，通過PacBio+Hi-C技術(shù)組裝出 3.54 Gb 基因組，contig N50為1.93 Mb，scaffold N50=395 Mb，通過比較基因組學分析及雌雄個體不同發(fā)育時期的有參轉(zhuǎn)錄組分析鑒定了一系列與角質(zhì)刺性二態(tài)發(fā)育相關(guān)的生物學通路和關(guān)鍵基因。研究成果首次較全面地解析了兩棲動物性二態(tài)形成相關(guān)的重要生物學通路以及關(guān)鍵基因，彌補了相關(guān)研究的不足。該成果不僅為兩棲動物基因組數(shù)據(jù)庫提供了高質(zhì)量的參考基因組，而且對于深入理解脊椎動物性二態(tài)形成及調(diào)控的分子機制具有重要意義。
方案二 基因組聯(lián)合代謝組與轉(zhuǎn)錄組鎖定關(guān)鍵通路
技術(shù)介紹
代謝組是指生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的動態(tài)整體，而代謝組研究能更有效地揭示生物學過程及其生化、分子機理。差異積累的代謝物信息將輔助眾多基因進行”共表達”分析，揭示基因功能，并將基因與表型關(guān)聯(lián)起來。轉(zhuǎn)錄組和代謝組可以從大量轉(zhuǎn)錄組信息中發(fā)掘差異基因，快速判斷核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵候選基因，闡述生物學機理?；蚪M結(jié)合轉(zhuǎn)錄組及代謝組，將系統(tǒng)的鎖定關(guān)鍵通路中的基因和代謝物
技術(shù)路線
適用范圍
- 性狀遺傳改良
- 確定代謝關(guān)鍵途徑
- 蔬果花卉色澤營養(yǎng)
- 合成代謝通路網(wǎng)絡(luò)搭建
- 鑒定控制關(guān)鍵途徑的結(jié)構(gòu)
- 生長發(fā)育、抗逆及其生化、分子機理
高分案例
植物案例一
英文名：Genomes of the banyan tree and pollinator wasp provide insights into fig-wasp coevolution[4]
中文名：榕樹和榕小蜂的基因組為榕-蜂共生體系協(xié)同進化提供線索
期刊：Cell（IF：38.637）
合作單位：福建農(nóng)林大學基因組研究中心
主要研究內(nèi)容：
作者基于三代PacBio、Hi-C和遺傳圖譜等技術(shù)成功構(gòu)建了2種榕樹和1種傳粉榕小蜂的高質(zhì)量基因組（細葉榕426Mb，contigN50=908 Kb；對葉榕360 Mb，contigN50= 492 kb；榕小蜂387 Mb，contig N50=3.1 Mb）。比較基因組學研究發(fā)現(xiàn)兩種榕樹基因組存在大量的結(jié)構(gòu)變異，為其適應(yīng)性演化提供了遺傳基礎(chǔ)。并對榕樹氣生根、性別決定基因、榕樹進化、等進行研究。結(jié)合代謝組將榕果釋放揮發(fā)物質(zhì)以及榕小蜂對這些物質(zhì)的電生理測試闡明榕蜂共生體系專性協(xié)同進化。本次研究首次在基因組水平上揭示了榕-蜂共生體系在形態(tài)和生理方面的協(xié)同演化對雙方類群的協(xié)同多樣化的重要影響。
植物案例二
英文名：Musa balbisiana genome reveals subgenome evolution and functional divergence[5]
中文名：香蕉基因組揭示了亞基因組進化和功能分化
期刊：Nature Plants（IF：13.256）
合作單位：中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院
主要研究內(nèi)容：
作者利用二代+三代+HI-C的測序技術(shù)，成功構(gòu)建了高質(zhì)量的香蕉B基因組的圖譜（492.77Mb，contig N50=1.83Mb），為進一步改良香蕉的農(nóng)藝性狀奠定了基礎(chǔ)。香蕉A、B基因組的比較分析揭示了A、B基因組的分化特點；重測序數(shù)據(jù)分析，揭示了香蕉的遺傳多樣性及亞基因組功能分化；果實乙烯釋放量等代謝物的測定及不同果實成熟階段的香蕉的轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)合香蕉的基因擴增和表達模式的研究發(fā)現(xiàn)了果實成熟的演變和調(diào)控特征?；谶@些研究結(jié)果，將有助于香蕉新品種的育種策略。
方案三 基因組與群體進化，解析物種發(fā)展歷程
技術(shù)介紹
動植物特定群體的個體基因組之間往往會存在大量變異，如單核苷酸變異（SNP）、插入缺失變異（InDel）、結(jié)構(gòu)變異（SV）等。自然群體區(qū)別于馴化栽培群體最大的特征是其豐富的遺傳多樣性，這些動植物往往經(jīng)歷了種群的擴張、傳播、本地化適應(yīng)、基因交流等長期馴化過程。利用基因組水平遺傳變異研究，可以更加準確和全面地解析動植物群體的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系及其結(jié)構(gòu)、群體進化歷史、遺傳漸滲、馴化起源與人工選擇位點情況。該研究方案是目前廣受高分基因組學相關(guān)期刊“青睞”之一的研究策略。
技術(shù)路線
適用范圍
- 不同群體分化歷程探究
- 建立亞群間精確變異數(shù)據(jù)庫
- 地域種、品系間基因滲透歷程
- 動植物起源地、馴化與環(huán)境適應(yīng)性研究
- 挖掘與人工/自然選擇性狀相關(guān)基因位點
高分案例
植物案例
英文名：The bracteatus pineapple genome and domestication of clonally propagated crops[6]
中文名：紅苞鳳梨參考基因組及作物的無性繁殖馴化
期刊：Nature Genetics（IF：27.603）
合作單位：福建農(nóng)林大學
主要研究內(nèi)容：
作者對紅苞鳳梨(*Ananas comosus *var. bracteatus)的基因組進行了分析（60X Illumina+50X PacBio+Hi-C，組裝513Mb基因組，contig N50=427 Kb）并將之與80多個菠蘿栽培品種和野生祖先進行比較（重測序~17.5X Illumina）, 追溯了菠蘿馴化史, 發(fā)現(xiàn)其既經(jīng)歷了有性生殖過程,也有“一步到位”的無性繁殖過程, 還找到了基因組中與菠蘿特異農(nóng)藝性狀相關(guān)的人工選擇區(qū)段, 為菠蘿的遺傳育種奠定了科學基礎(chǔ)。
動物案例
英文名：Genomic Consequences of Population Decline in Critically Endangered Pangolins and Their Demographic Histories[7]
中文名：瀕危物種穿山甲基因組學研究及種群研究
期刊：National Science Review（IF：16.693）
合作單位：云南大學
主要研究內(nèi)容：
作者基于二代測序技術(shù)結(jié)合10X Genomics構(gòu)建了高質(zhì)量的穿山甲參考基因組（基因組大小MJ 2.45G；MP 2.40 G，scaffold N50分別為13.85和7.77Mb）。還通過73個馬來穿山甲和23個中華穿山甲重測序分析（12.12 -21.16X Illumina）進行變異檢測和群體結(jié)構(gòu)分析、穿山甲遺傳多樣性分析及種群歷史動態(tài)分析等。提供了有關(guān)穿山甲種群數(shù)量長期波動的驅(qū)動因素和最近由于人類活動導致的種群數(shù)量減少的基因組影響的有價值的信息，這對穿山甲保護管理和全球行動規(guī)劃至關(guān)重要。
方案四 基因組結(jié)合GWAS與進化，探索重組遺傳效應(yīng)
技術(shù)介紹
全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association study，GWAS）是指全基因組水平分析各位點與復雜性狀遺傳變異的關(guān)聯(lián)強弱。GWAS無需構(gòu)建群體，從自然界中采樣即可基于基因組數(shù)據(jù)，充分利用群體進化過程中數(shù)千世代積累的重組事件，分析分子標記對表現(xiàn)型的遺傳效應(yīng)。高質(zhì)量的基因組聯(lián)合GWAS分析將使得復雜性狀的遺傳基礎(chǔ)得以剖析，也是目前廣受高分基因組學相關(guān)期刊“青睞”之一的研究策略。
技術(shù)路線
適用范圍
- 研究物種染色體倍性一致
- 未分化出明顯的不同群體結(jié)構(gòu)
- 研究群體樣本量較大（推薦≥200個）
- 作物、果蔬、草本、林木花卉及水產(chǎn)家禽等物種性狀相關(guān)位點關(guān)聯(lián)
高分案例
植物案例
英文名：Resequencing of 243 diploid cotton accessions based on an updated A genome identifies the genetic basis of key agronomic traits[8]
中文名：以更新的亞洲棉 A 基因組為基礎(chǔ)的 243 份二倍體棉花的重要農(nóng)藝性狀的研究
期刊：Nature Genetics（IF：27.603）
合作單位：中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所
主要研究內(nèi)容：
作者通過PacBio+Hi-C技術(shù)進行基因組denovo，提升了亞洲棉的基因組組裝水平（組裝1.71 Gb，Contig N50=1.1 Mb）。然后通過群體進化分析發(fā)現(xiàn)，亞洲棉和草棉與雷蒙德氏棉同時進行了分化，而亞洲棉起源于中國南部，隨后被引入長江和黃河地區(qū)。大多數(shù)與馴化相關(guān)的性狀都經(jīng)歷了地理隔離。通過亞洲棉的GWAS分析，鑒定了11個重要農(nóng)藝性狀的98個顯著關(guān)聯(lián)位點，并對脂肪酸合成、棉花枯萎病抗性、棉絨性狀的位點進行詳細分析。本研究對理解棉花A亞基因組的進化具有重要的意義。
動物案例
英文名：The evolutionary origin and domestication history of goldfish (Carassius auratus)[9]
中文名：金魚的進化起源和馴化史
期刊：PNAS（IF：9.412）
合作單位：福建農(nóng)林大學&福建師范大學
主要研究內(nèi)容：
作者通過PacBio+Hi-C組裝獲得了高質(zhì)量的金魚基因組 (2n=100；組裝1.73 Gb，Scaffold N50= 606 Kb)的同時，通過比較基因組學研究解析了古代雜交事件產(chǎn)生了兩個亞基因組；進一步通過185條代表性金魚變種和16條野生鯽魚的重測序分析，揭示了金魚的起源，并鑒定了與馴化相關(guān)的受選擇基因區(qū)域。研究中全面收集了金魚品種，獲得了與眾多解剖特征相關(guān)遺傳變異信息，其中包括區(qū)分傳統(tǒng)金魚進化的特征。除此之外，鑒定了酪氨酸蛋白激酶受體作為透明突變體的候選基因。為金魚的基因組和多樣性數(shù)據(jù)提供了豐富的資源，使得金魚成為功能基因組學和馴化研究具前景的模型。
精彩不停歇由于文章篇幅有限，今天小編就叨叨到這里啦~其實動植物基因組學具有無限研究潛力，其分析意義已不僅在于文章的影響因子高低，更多的是如何完整的闡述一種生物現(xiàn)象，為生產(chǎn)育種以及物種保護提供重要的基礎(chǔ)理論以及獲取基因標記信息。
參考文獻：
[1] 樊龍江.植物基因組學[M].2020
[2] Zhirong Y, Haoshan Z, Xukai L et al.A mini foxtail millet with an Arabidopsis-like life cycle as a C4 model system . Nature Plants. 2020.
[3] Jun L, Haiyan Y, Wenxia W et al. Genomic and transcriptomic insights into molecular basis of sexually dimorphic nuptial spines in Leptobrachium leishanense. Nature Communications .2019.
[4] Zhang X，Wang G，Zhang S et al., Genomes of the Banyan Tree and Pollinator Wasp Provide Insights into Fig-Wasp Coevolution.Nature Genetics. 2020
[5] Wang, Z., Miao, H. et al. Musa balbisiana genome reveals subgenome evolution and functional divergence[J]. Nature Plants, 2019.
[6] Chen L Y , Vanburen R , Paris M ,* et al*. The bracteatus pineapple genome and domestication of clonally propagated crops. Nature Genetics, 2019.
[7] ing-Yang H , Zi-Qian H , Laurent F , et al. Genomic consequences of population decline in critically endangered pangolins and their demographic histories. National Science Review.2020
[8] X Du, G Huang, S He, et al. Resequencing of 243 diploid cotton accessions based on an updated A genome identifies the genetic basis of key agronomic traits. Nature Genetics. 2018
[9] Chen D, Zhang Q et al., The evolutionary origin and domestication history of goldfish (Carassius auratus).PNAS.2020
