林業(yè)果樹研究所完成板栗泛基因組及數(shù)據(jù)庫搭建

 

板栗是世界上重要的生態(tài)經(jīng)濟(jì)兼用樹種。作為干果類樹種，其栽培品種多由實(shí)生選育得到，品種間遺傳差異極大，單個(gè)品種的基因組很難代表主栽品種的遺傳特性。典型模式植物的基因組數(shù)據(jù)庫很難直接應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)林干果類樹種的遺傳研究上。因此，通過泛基因組分析，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)林樹種自己的基因組數(shù)據(jù)庫，對于揭示各個(gè)品種特異性狀的遺傳基礎(chǔ)意義重大。

近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所蘭彥平團(tuán)隊(duì)在《Frontiers In Plant Science》在線發(fā)表了題為“Pan-genome analysis of three main Chinese chestnut varieties”的研究論文。百邁客有幸為該研究提供板栗基因組測序組裝工作。

該研究以林果所自主選育的特色板栗良種 ‘燕紅’?（YH，易修剪品種）、‘燕山早生’（ZS，早熟品種） 和‘黑山寨7號’（H7，耐旱品種）為試驗(yàn)材料，基于納米孔測序技術(shù)（Nanopore）、Illumina HiSeq X和Hi-C技術(shù)，獲得了三個(gè)高質(zhì)量染色體水平的板栗基因組。通過同源基因鑒定和基因家族聚類分析，發(fā)現(xiàn)H7、YH和ZS分別有159、131和91個(gè)特有的基因家族。通過全基因組比對分析，尋找三個(gè)樣本基因組間的存在/缺失變異（PAV）信息，發(fā)現(xiàn)H7、YH和ZS中分別存在2364、2232和1475個(gè)特有基因（見圖1）。

糯性是板栗最重要的食用品質(zhì)之一。然而，關(guān)于板栗中糯性基因報(bào)道卻很少。通過與近緣種比對，發(fā)現(xiàn)板栗中與糯性相關(guān)的基因家族GBSS II存在擴(kuò)張。為了進(jìn)一步探索該家族進(jìn)化趨勢，本研究針對所有GBSS蛋白和相關(guān)家族成員進(jìn)行了系統(tǒng)的發(fā)育分析。研究表明板栗中的GBSS II-b分支比近源物種多個(gè)成員。

此外，依托國家林草局板栗工程中心，構(gòu)建了板栗基因組數(shù)據(jù)庫（圖三），為瀏覽基因組（JBrowse）、搜索序列（BLAST）和設(shè)計(jì)引物提供了工具。

本研究通過第三代基因組測序技術(shù)及泛基因組分析，發(fā)現(xiàn)了各主栽品種基因組間的顯著差異及特有基因，并部分解釋了板栗糯性風(fēng)味的遺傳基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)早熟、抗旱及宜機(jī)械化修剪的優(yōu)質(zhì)板栗品種的聚合育種打下基礎(chǔ)。該論文由北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所完成，胡廣隆副研究員為第一作者，蘭彥平研究員為本文通訊作者，得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)基金資助。

泛基因組研究在各研究領(lǐng)域已大放異彩

截至目前，泛基因組已在植物、真菌、細(xì)菌、動(dòng)物領(lǐng)域中得到廣泛研究。泛基因組分析有助于理解物種的特征，同時(shí)泛基因組圖譜提供的基因PAV變異或基因復(fù)制等復(fù)雜基因組變異，有助于解析動(dòng)植物表型和性狀的多樣性，為物種的遺傳改良提供寶貴的遺傳資源。

通常泛基因組研究除了構(gòu)建pan-genome，會進(jìn)行核心基因（core gene）、非核心基因（dispensable gene）以及特有基因（Private）來研究物種相關(guān)農(nóng)藝性狀與功能基因。而結(jié)構(gòu)變異是泛基因組的重點(diǎn)研究對象，通過PAV（存在與缺失變異）、倒位、易位、拷貝數(shù)變異等結(jié)構(gòu)變異信息尋找引起不同品系間差異性狀的關(guān)鍵變異位點(diǎn)。除此之外，泛基因組還可以結(jié)合三維表觀調(diào)控、群體遺傳進(jìn)化、全基因組關(guān)聯(lián)分析、轉(zhuǎn)錄共表達(dá)、差異代謝物以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建存儲等方式進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘。

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