泛基因組及其在植物功能基因組學研究中的應用

潘佳穎

（東北農(nóng)業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150030）

植物育種核心物質(zhì)基礎是控制農(nóng)藝性狀遺傳變異，如何從廣泛種質(zhì)資源中利用優(yōu)異遺傳變異是植物育種研究的重要課題?，F(xiàn)代基因組學技術(shù)發(fā)展是植物功能基因組學研究的核心動力，高質(zhì)量參考基因組為遺傳變異發(fā)掘提供統(tǒng)一標準框架。最高通量基因組學，轉(zhuǎn)錄組測序等技術(shù)為遺傳變異發(fā)掘提供高效技術(shù)手段。隨著對多樣性植物資源研究，單一參基因組不能代表資源所有遺傳變異，對多樣性資源基因組研究易出現(xiàn)錯誤，難以有效鑒定基因中結(jié)構(gòu)變異?？截悢?shù)變異等結(jié)構(gòu)變異在作物品種間普遍存在，基因組結(jié)構(gòu)變異導致物種個體間基因結(jié)構(gòu)等發(fā)生實質(zhì)性變化。為完整描述群體遺傳變異，科學家提出泛基因組概念，為功能基因組學研究提供參考框架。植物泛基因組研究成為植物基因組學研究熱點。

1 植物泛基因組研究

泛基因組概念源于微生物基因組學研究，通過研究細菌基因組發(fā)現(xiàn)不同菌株存在大量基因缺失變異，Tetelin 等首次提出泛基因組概念，迅速用于動植物等生物基因組學研究中。目前構(gòu)建包括大豆等20 多種真核生物泛基因組。泛基因組功能型定義以功能為核心研究對象，指群體所有功能基因總和。通過泛基因組研究群體功能基因分布，呈現(xiàn)群體功能基因，可以從基因拓展至基因家族。

結(jié)構(gòu)性定義為對群體基因組序列比較分析，微生物組研究以基因為核心泛基因組定義應用較多，序列為基礎泛基因組定義適合真核生物研究。泛基因組包括核心與非必需基因組，核心基因組指存在所有個體基因，核心基因組基因包括維持物種存活所需基本生理功能基因，如維持DNA 復制等功能[1]；非必需基因包含群體全部可變基因，很多物種存在大量非必需基因組，擁有本文少的外顯，如非必需基因非同義比例高于核心基因組，大部分非必需基因組與微生物多樣性有關，基因功能主要富集于生物脅迫、植物發(fā)育等生物學功能。

基因組學是20 世紀90 年代興趣的研究領域，功能基因組是利用結(jié)構(gòu)基因組學提供信息，通過基因全面分析功能，使生物學研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€基因系統(tǒng)研究。泛基因組最早應用于轉(zhuǎn)座子研究，目前超過16 個植物物種建立泛基因組，包括小麥等重要農(nóng)作物。植物群體中非必需基因數(shù)量龐大，如油菜泛基因組中38%為非必需。木豆泛基因組組裝1900 多個參考基因組不存在新基因，功能富集于生物學功能中。非必需基因是控制植物重要農(nóng)藝性狀的功能基因，有利于功能基因鑒定。

2 泛基因組組裝方法

目前泛基因組以新測序數(shù)據(jù)為基礎進行組裝構(gòu)建。策略分為對所有材料進行基因從頭組裝；以已有參考基因組為基礎，通過對比—組裝迭代進行構(gòu)建；基于變異圖組裝。不同組裝策略具有不同優(yōu)缺點，植物泛基因組構(gòu)建面臨挑戰(zhàn)是結(jié)構(gòu)變異序列正確組裝。對每個材料進行基因組從頭組裝方法，可以解決重復序列組裝問題，有利于結(jié)構(gòu)變異發(fā)掘鑒定。缺點是基因組從頭組裝費用高，難以大規(guī)模實施[2]，不能解決大結(jié)構(gòu)變異解析問題。

以參考基因組為基礎迭代組裝策略，對不能比對測序數(shù)據(jù)組裝，如不能采用迭代法，可以運用類似宏基因組組裝策略，組裝得到泛基因組，實現(xiàn)基因PAV 分析。策略優(yōu)點是技術(shù)相對簡單，缺點是難以解決重復序列組裝，不能很好地對大結(jié)構(gòu)變異解析?；趫D論組裝法把基因組分為若干部分，可以通過變異圖譜進行分析。泛基因組圖提供新的概念，應用理論技術(shù)尚不成熟。相對線性基因組概念，泛基因組圖適用于變異數(shù)據(jù)組織，具有廣闊應用前景。目前多數(shù)植物泛基因組構(gòu)建基于二代測序技術(shù)組裝，應用基于參考基因組策略難以解決重復序列造成組裝錯誤[3]。碎片化問題影響在結(jié)構(gòu)變異鑒定中的應用效果。

PacBiO 等長讀長基于單分子測序三代測序技術(shù)得到廣泛應用，三代測序具有長讀長優(yōu)點，可以解決序列組裝問題。在光學圖譜等技術(shù)下實現(xiàn)高質(zhì)量基因組組裝，可以組裝質(zhì)量更好的泛基因組。基于三代測序進行泛基因組組裝法成功用于大豆等植物范基因組構(gòu)建中，組裝策略選擇是泛基因組組裝重要問題。從頭組裝策略費用較高，導致構(gòu)建泛基因組多樣性不足等問題。迭代組裝利用二代測序數(shù)據(jù)組裝，可通過分析個體提高泛基因組多樣性。但泛基因組完整性較低，選擇群體中少數(shù)代表性材料從頭組裝，結(jié)合大規(guī)模多樣性材料二代測序數(shù)據(jù)對比，是構(gòu)建高質(zhì)量泛基因組的可行策略。

3 泛基因組的應用

植物進化是植物基因組學研究的重點，解析植物進化基因組結(jié)構(gòu)變異，有助于為植物育種提供線索。泛基因組結(jié)構(gòu)變異捕獲具有獨特優(yōu)勢，可以為植物進化提供寬泛基礎數(shù)據(jù)。如大豆種皮顏色為馴化重要性狀，由于查爾酮合成酶基因結(jié)構(gòu)變異導致野生大豆黑皮演變?yōu)辄S皮。研究通過大豆野生資源構(gòu)建泛基因組發(fā)現(xiàn)基因結(jié)構(gòu)變異，分析泛基因組單倍體型剖析大豆種皮顏色馴化歷史。

Sariel 等構(gòu)件向日葵泛基因組，通過泛基因組進行同源基因比較分析，印證現(xiàn)代向日葵品種抗病性改良基因來源。利用控制主要農(nóng)藝性狀是植物遺傳改良的基礎，常規(guī)方法通過比較典型材料基因組結(jié)構(gòu)，新測序技術(shù)為遺傳變異分析提供高效技術(shù)手段，目前多以單一參考基因組為基礎，不適用于基因組結(jié)構(gòu)變異引起表型遺傳分析。泛基因組可通過完整捕獲群體全部遺傳變異，提供完整的基因組參考消息。為GWAS 等技術(shù)應用遺傳變異分析提供數(shù)據(jù)。泛基因組矯正單一參考基因組分析導致偏差，多樣性測序數(shù)據(jù)對比單一參考基因組出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差，參考基因組缺失序列讀序數(shù)被丟棄。由于泛基因組包絡群體完整基因組多樣性，避免高度多態(tài)性讀數(shù)丟失問題。

目前開發(fā)多個新測序數(shù)據(jù)對比方法，基于范基因組測序數(shù)據(jù)分析成為基因組學研究重要方法。泛基因組可以提高GWAS 準確向，GWAS 分析參考基因組不存在功能基因表型，出席縣實際功能基因偏差較大情況，如GWAS 鑒定玉米米抗甘蔗花葉病毒功能基建營，以B73 參考引資加納定SPN 關聯(lián)分析檢測功能相差8.5Mb，泛基因組以結(jié)構(gòu)變異與SNP 為基因型數(shù)據(jù)，解決單一參考組導致GWAS 結(jié)果偏差問題。非必須基因組與很多農(nóng)藝性狀關聯(lián)，通過泛基因組分析非必需基因，對鑒定抗功能性基因應用具有重要價值。

4 泛基因組在植物研究中的應用

功能基因組學研究是利用結(jié)構(gòu)基因組學提供信息，使生物學研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€基因同時系統(tǒng)研究。主要采用比較基因序列方法，植物功能基因組是植物后代基因研究核心內(nèi)容，特點是采用高通量實驗方法進行研究。目前功能基因組學研究包括高通量遺傳轉(zhuǎn)化鑒定系統(tǒng)、獲得DNA 芯片基因轉(zhuǎn)錄圖譜等。人們建立系列有效的技術(shù)方法對功能基因組學深入研究，包括表達序列標簽、插入突變等。

基因表達分析系列是快速研究基因表達的新技術(shù)，鑒定基因組中95%的基因，通常為9～10bp 寡核苷酸序列，通過連接酶將多個標簽隨機串聯(lián)，可以顯示各SAGE 標簽代表基因特定組織表達，可保留基因表達數(shù)據(jù)，研究細胞轉(zhuǎn)錄變化引起生物現(xiàn)象。日本科學家Matsumura 等人首次利用SAGE 技術(shù)研究高等植物全基因表達定量，F(xiàn)izames 等人用SAGE 技術(shù)分析擬南芥根基劃分基因表達，通過獲得SAGE 標簽與已知基因?qū)Ρ确治?，通過對不同狀態(tài)下表達圖譜比較發(fā)現(xiàn)基因表達差異。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)基因食品分析檢測技術(shù)適用范圍不同，需要進行相關分析檢測技術(shù)研究。研究對異源四倍體野生花生進行基因組組裝，對基因組進行區(qū)分得到亞基因組。異源四倍體植物具有兩個亞基因組，Bertioli 等發(fā)現(xiàn)基因組與栽培花生AB 基因組序列相近，可以對鑒定抗病基因等問題提供幫助，為選育適應性強花生品種奠定基礎，對花生樹進化提供科學參考價值。

5 泛基因組應用研究展望

目前泛基因組領域需要解決更好地把最新測序技術(shù)及數(shù)據(jù)技術(shù)用于泛基因組組裝，構(gòu)建高質(zhì)量泛基因組等問題。泛基因組組裝廣泛應用三代測序技術(shù)，解決大規(guī)模群體稀有遺傳變異捕獲問題需要開發(fā)相應技術(shù)流程。人工智能技術(shù)在泛基因組組裝應用，有助于解決組裝功能研究的挑戰(zhàn)。如何更好地解析泛基因組變異數(shù)據(jù)是應用研究面臨的挑戰(zhàn)。

泛基因組應用研究核心是構(gòu)建合適的數(shù)據(jù)框架，通過泛基因組呈現(xiàn)群體內(nèi)結(jié)構(gòu)變異?；趫D論泛基因組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是目前研究熱點。大豆泛基因組構(gòu)建利用相關技術(shù)構(gòu)建基于圖泛基因組，目前相應技術(shù)算法不成熟，利用泛基因組圖用于生物信息學分析，需要復雜的計算，開發(fā)完整的泛基因組數(shù)據(jù)分析流程，是未來泛基因組應用研究重點。隨著基因組學技術(shù)的發(fā)展，單一參考基因組不能適應現(xiàn)代功能基因?qū)W研究需要，泛基因組可以為功能基因組學研究提供基礎變異數(shù)據(jù)，構(gòu)建泛基因組推動功能基因組學研究發(fā)展。

6 結(jié)語

目前植物功能基因組學研究取得一定進展，反向遺傳學處于大量突變?nèi)后w建立初級階段。林木功能基因組研究主要研究對林木響應逆境脅迫研究較少，林木功能基因組學研究需要開展廣泛國際合作。隨著水稻基因組研究深入，可提供植物基因序列信息、基因功能信息等更多，為植物分子改良提供有效的技術(shù)支撐。