2024-10-16
一、泛基因組概念 泛基因組（pan-genome）指的是一個物種或群體內所有基因的總和，包括生物體內的核心基因研究和非核心基因研究。泛基因組的概念最早在研究細菌基因組時提出，但隨著測序技術的進步，已經被廣泛應用于各種不同的物種，構建泛基因組有助于深入理解基因組的復雜性和多樣性，解析結構變異，高效挖掘功能基因，對推動現代馴化研究和品種選育具有重要意義。 【圖】不同品種番茄 二、植物泛基因組發展歷程及泛基因組構建方法 泛基因組學的起源可以追溯到2005年對8個不同的菌株組裝成第一個細菌泛基因組。這一開創性工作被2014年首次在野生大豆中進行的植物泛基因組分析所繼承，揭示了與疾病抗性、開花時間和種子組成相關的基因存在/缺失變異。這些早期研究表明，泛基因組學有望解開基因組變異復雜性和其對表型多樣性的影響。2010年代以來測序成本的下降使人們能夠獲得更多的基因組數據，并且通過大規模測序來豐富我們對群體遺傳多樣性水平的理解。這個時期引入了許多新型計算方法和生物信息工具，旨在管理、分析和解釋高通量測序平臺產生的大量基因組數據。例如，迭代映射和組裝方法對于識別物種內的基因PAV至關重要，用于構建泛基因組。 【圖】主要植物泛基因組研究時間線 三、植物泛基因組在育種中的應用 泛基因組在植物遺傳研究和育種中的應用 我們見證了過去二十年作物育種的重大進步，這主要得益于基因組資源和技術的快速發展，并且這些技術已經完全整合到標記輔助選擇、基因聚合、全基因組選擇（GS）以及基因編輯等方法中。泛基因組比傳統單個參考基因組具有許多優勢 (Bayer 等人，2020)，因此將在作物遺傳學研究和分子育種中發揮越來越重要的作用。 功能基因定位：基于泛基因組圖譜的SV已成功用于大豆、水稻、番茄和黃瓜的GWAS，揭示了無法通過從線性參考中識別SNP來發現的新位點。 群體基因組分析：近年來，對作物進行了大規模的重測序工作，揭示了與作物馴化、適應和育種過程相關的遺傳多樣性、群體結構、選擇性清除分析等。然而，這些分析幾乎完全基于SNP或小的InDel。越來越多的證據表明，用SV估計的群體結構可能與用SNP估計的有所不同。使用泛基因組作為參考重新分析已發表的大規模重測序數據，以識別更全面的遺傳變異并更新以前的人群基因組結果。 表觀遺傳學研究：表觀遺傳特征，包括DNA甲基化、組蛋白修飾、小非編碼RNA、染色質可及性和三維組織，表現出很強的組織和細胞類型特異性，在植物中進行了廣泛的研究。除了個體內的表觀遺傳變異外，表觀遺傳特征還作為表型等位基因在個體之間變化，可以捕獲或創造以促進作物改良。越來越多的研究探索了與作物馴化和育種相關的群體表觀遺傳變異。 基因組選擇（GS）育種：與GWAS類似，全基因組SNP也常用于GS。然而，早期研究表明，常見SNP僅解釋了復雜性狀窄系遺傳力的少數部分，這是一個影響育種實踐預測準確性的“缺失遺傳力”問題。最近一項番茄的研究表明，使用圖譜參考基因組識別SVs可部分挽救復雜性狀的“缺失遺傳力”，可能是因為SVs與致病變異之間的更強連鎖不平衡難以通過常見SNP捕獲，以及長期以來認為SVs更可能是致病變異的觀點。這些新建立的測序方法，伴隨著先進的預測算法如深度學習方法，有望進一步通過新型GS方法推動作物遺傳收益的增長。 基因編輯：現在，主要由CRISPR-Cas9技術驅動的基因編輯提供了一種加速育種的新策略，通過創建以前不存在的等位基因來加快育種進程。植物基因編輯系統也在迅速發展，以提高編輯效率并擴大可編輯位點和受體的范圍，來自更多樣化的遺傳背景。在這方面，泛基因組不僅可以提供值得編輯的主要候選基因清單，還可以通過為建立一個優化的編輯系統提供高質量的基因組序列，擴展可行的作物物種或品種。 【圖】泛基因組學在遺傳學研究和育種實踐中的應用 四、泛基因組材料如何選擇 1）開放泛基因組材料選擇 對于開放泛基因組，由于其核心基因組和整個泛基因組含量需要更多個體才能充分展示物種內全部遺傳信息，因此材料選擇時通常需要考慮以下幾點： 遺傳多樣性：選擇具有豐富遺傳多樣性的材料，有助于發現更多的非核心基因和特有基因，從而更全面地了解物種的遺傳變異。 生態地理類型：涵蓋不同生態地理類型的材料，可以反映物種在不同環境下的適應性進化情況。 野生與栽培種質：結合野生種和栽培種進行研究，有助于發現馴化過程中遺傳多樣性的變化以及特有性狀的基因資源。 2）閉合泛基因組材料選擇 對于閉合泛基因組，由于其核心基因組和整個泛基因組含量會隨著個體增加很快到達平臺期，因此材料選擇時可以考慮以下幾點： 代表性樣本：選擇能夠充分代表物種遺傳和表型多樣性的樣本，有助于構建出具有準確性和可靠性的泛基因組圖譜。 親緣關系：選擇親緣關系相對接近的材料，可以在一定程度上減少泛基因組的規模和復雜性，同時保證核心基因組的穩定性和一致性。 已知基因組信息：優先選擇已有較為完整基因組信息的材料，有助于在構建泛基因組時進行更準確的基因注釋和比較分析。 3）根據生物學問題選擇材料 物種起源與演化：為了研究物種的起源及演化等生物學問題，可以選擇不同亞種的材料進行泛基因組測序。通過比較這些材料的基因組序列，可以揭示物種之間的親緣關系和進化歷程。 重要性狀發掘：為了發掘與重要性狀相關的基因資源，可以選擇具有不同特性的種質資源進行泛基因組測序。例如，在作物育種中，可以選擇具有高產、優質、抗逆等優良性狀的品種進行測序，以發現與這些性狀相關的基因變異。 適應性進化研究：為了研究物種的適應性進化問題，可以選擇不同生態地理環境的種質資源進行泛基因組測序。通過比較這些材料的基因組序列和表型特征，可以揭示物種在不同環境下的適應性機制和進化歷程。 因此，要根據物種特性和生物學背景，靈活選擇材料個數，選擇材料過多可能會造成資源的浪費，選擇材料過少獲取的泛基因組信息可能不夠全面。 五、泛基因組測序策略 參考文獻： Shi J, Tian Z, Lai J, Huang X. Plant pan-genomics and its applications. Mol Plant. 2023 Jan 2;16(1):168-186. doi: 10.1016/j.molp.2022.12.009. Epub 2022 Dec 15. PMID: 36523157. Hu H, Wang J, Nie S, et al. Plant pangenomics, current practice and future direction[J]. Agriculture Communications, 2024: 100039.
