2018-07-04
文案 | 動植物基因組事業部
瀕危物種保護
是自然保護領域最重要的工作方向之一
估計中國的瀕危物種
不少于現存物種數量的十分之一
所謂瀕危物種，指生存和種群繁衍受到威脅、乃至瀕臨滅絕的物種。
基因組研究涵蓋瀕危物種的
進化和種群歷史
揭示可能限制其生存的基因組特征
為有效保護提供了依據
應用全基因組de novo 測序
在測序、組裝、注釋的基礎上，
進行變異檢測、種群歷史、比較基因組學研究
是研究瀕危物種遺傳特征的常用方法
物種基因組變異研究
許多小種群的瀕危物種
具有較低的基因組雜合度
圖 1 種群大小（橫軸）與雜合度（縱軸）的相關性
因此雜合度是界定瀕危物種的重要因素
溝齒鼩 是生活在加勒比群島上的食蟲動物，種群瀕危，該屬是哺乳動物中最古老的分支之一。?
對溝齒鼩進行全基因組組裝和比對
檢測SNP和indel等變異位點
（使用軟件：Bowtie2、SAMtools、Bcftools、VCFtools）
基于全部變異位點
計算SNV rate評估雜合度
SNV rate=observed SNVs/possible SNVs
結論：與其他哺乳類相比，溝齒鼩基因組雜合度低
證實了這一理論：
種群過小會更快的失去遺傳多樣性
圖 2 溝齒鼩（黃色）與其他哺乳動物（綠色）雜合度比較
種群歷史研究
袋狼 是澳大利亞現存最大的食肉有袋動物，在1.6億年前與犬科動物有共同祖先，于1982年宣布滅絕。?
對袋狼進行全基因組組裝
使用MSMC程序的PSMC?算法
經過以下步驟：
Reads mapping
Exclude short and X-linked scaffolds
Parameter estimation
Bootstrapping?
以3年為代時，以保守核型計算突變率
分析有效種群大小變化：
圖 3 袋狼（黃）和袋獾（黑）的種群歷史，Ne為有效群體大小，兩者均在70~120ka經歷的多樣性的顯著下降
基因家族分析
在組裝和注釋的基礎上
基于全基因組單拷貝蛋白編碼基因
應用PAML構建系統發育樹
同時顯示擴張/收縮的基因家族
圖 4 大熊貓、小熊貓及六種哺乳動物的系統發育樹，示分歧時間、擴張和收縮的基因家族
正選擇基因鑒定
基于物種間同源基因
使用PAML的分支-位點模型（branch-site model）鑒定正選擇基因
顯示多組物種間比較的鑒定結果
圖 5 不同檢測策略下識別的正選擇基因數目
趨同進化研究?
大熊貓和小熊貓 分屬食肉目下不同的科，但均進化出了特殊的竹食性和適應性的偽拇指，代表了一種典型的趨同進化模式?。
對于趨同進化研究，可進行趨同氨基酸替換分析
即基于所有同源蛋白序列，分析物種間趨同氨基酸替換位點
經泊松檢驗和多重比較校正
對趨同氨基酸替換基因
與正選擇基因取交集
這部分基因表明二者
經歷適應性趨同進化
最后對這些基因進行功能富集分析（GO、KEGG注釋等）
圖 6 大熊貓和小熊貓間經歷同源氨基酸替換的正選擇基因
測序樣品選取
一般動物樣品采用組織、血液等
瀕危物種也可選取標本材料
結合標本材料和現存個體樣品分析,
可以更準確評估全基因組
多樣性的減少、有害變異的積累等信息
參考文獻
[1] Grigorev K, Kliver S, Dobrynin P, et al. Innovative assembly strategy contributes to understanding the evolution and conservation genetics of the endangered Solenodon paradoxus from the island of Hispaniola.[J]. Gigascience, 2018.
[2] Feigin C Y, Newton A H, Doronina L, et al. Genome of the Tasmanian tiger provides insights into the evolution and demography of an extinct marsupial carnivore[J]. Nature Ecology & Evolution, 2018, 2(1):182.
[3] Hu Y, Wu Q, Ma S, et al. Comparative genomics reveals convergent evolution between the bamboo-eating giant and red pandas[J]. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017, 114(5):1081-1086.
[4] Díezdelmolino D, Sánchezbarreiro F, Barnes I, et al. Quantifying Temporal Genomic Erosion in Endangered Species.[J]. Trends in Ecology & Evolution, 2018, 33(3):176-185.
