泛基因組及其在植物功能基因組學研究中的應用

潘佳穎

（東北農業大學，黑龍江 哈爾濱 150030）

植物育種核心物質基礎是控制農藝性狀遺傳變異，如何從廣泛種質資源中利用優異遺傳變異是植物育種研究的重要課題。現代基因組學技術發展是植物功能基因組學研究的核心動力，高質量參考基因組為遺傳變異發掘提供統一標準框架。最高通量基因組學，轉錄組測序等技術為遺傳變異發掘提供高效技術手段。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錯誤，難以有效鑒定基因中結構變異。拷貝數變異等結構變異在作物品種間普遍存在，基因組結構變異導致物種個體間基因結構等發生實質性變化。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現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，呈現群體功能基因，可以從基因拓展至基因家族。

結構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構基因組學提供信息，通過基因全面分析功能，使生物學研究轉向對多個基因系統研究。泛基因組最早應用于轉座子研究，目前超過16 個植物物種建立泛基因組，包括小麥等重要農作物。植物群體中非必需基因數量龐大，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據為基礎進行組裝構建。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—組裝迭代進行構建；基于變異圖組裝。不同組裝策略具有不同優缺點，植物泛基因組構建面臨挑戰是結構變異序列正確組裝。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，有利于結構變異發掘鑒定。缺點是基因組從頭組裝費用高，難以大規模實施[2]，不能解決大結構變異解析問題。

以參考基因組為基礎迭代組裝策略，對不能比對測序數據組裝，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，實現基因PAV 分析。策略優點是技術相對簡單，缺點是難以解決重復序列組裝，不能很好地對大結構變異解析。基于圖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，應用理論技術尚不成熟。相對線性基因組概念，泛基因組圖適用于變異數據組織，具有廣闊應用前景。目前多數植物泛基因組構建基于二代測序技術組裝，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構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得到廣泛應用，三代測序具有長讀長優點，可以解決序列組裝問題。在光學圖譜等技術下實現高質量基因組組裝，可以組裝質量更好的泛基因組。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，導致構建泛基因組多樣性不足等問題。迭代組裝利用二代測序數據組裝，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，選擇群體中少數代表性材料從頭組裝，結合大規模多樣性材料二代測序數據對比，是構建高質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構變異，有助于為植物育種提供線索。泛基因組結構變異捕獲具有獨特優勢，可以為植物進化提供寬泛基礎數據。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構變異導致野生大豆黑皮演變為黃皮。研究通過大豆野生資源構建泛基因組發現基因結構變異，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，印證現代向日葵品種抗病性改良基因來源。利用控制主要農藝性狀是植物遺傳改良的基礎，常規方法通過比較典型材料基因組結構，新測序技術為遺傳變異分析提供高效技術手段，目前多以單一參考基因組為基礎，不適用于基因組結構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 等技術應用遺傳變異分析提供數據。泛基因組矯正單一參考基因組分析導致偏差，多樣性測序數據對比單一參考基因組出現系統性偏差，參考基因組缺失序列讀序數被丟棄。由于泛基因組包絡群體完整基因組多樣性，避免高度多態性讀數丟失問題。

目前開發多個新測序數據對比方法，基于范基因組測序數據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 關聯分析檢測功能相差8.5Mb，泛基因組以結構變異與SNP 為基因型數據，解決單一參考組導致GWAS 結果偏差問題。非必須基因組與很多農藝性狀關聯，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構基因組學提供信息，使生物學研究轉向對多個基因同時系統研究。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化鑒定系統、獲得DNA 芯片基因轉錄圖譜等。人們建立系列有效的技術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，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，可以顯示各SAGE 標簽代表基因特定組織表達，可保留基因表達數據，研究細胞轉錄變化引起生物現象。日本科學家Matsumura 等人首次利用SAGE 技術研究高等植物全基因表達定量，Fizames 等人用SAGE 技術分析擬南芥根基劃分基因表達，通過獲得SAGE 標簽與已知基因對比分析，通過對不同狀態下表達圖譜比較發現基因表達差異。

現有轉基因食品分析檢測技術適用范圍不同，需要進行相關分析檢測技術研究。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 等發現基因組與栽培花生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及數據技術用于泛基因組組裝，構建高質量泛基因組等問題。泛基因組組裝廣泛應用三代測序技術，解決大規模群體稀有遺傳變異捕獲問題需要開發相應技術流程。人工智能技術在泛基因組組裝應用，有助于解決組裝功能研究的挑戰。如何更好地解析泛基因組變異數據是應用研究面臨的挑戰。

泛基因組應用研究核心是構建合適的數據框架，通過泛基因組呈現群體內結構變異。基于圖論泛基因組數據結構化是目前研究熱點。大豆泛基因組構建利用相關技術構建基于圖泛基因組，目前相應技術算法不成熟，利用泛基因組圖用于生物信息學分析，需要復雜的計算，開發完整的泛基因組數據分析流程，是未來泛基因組應用研究重點。隨著基因組學技術的發展，單一參考基因組不能適應現代功能基因學研究需要，泛基因組可以為功能基因組學研究提供基礎變異數據，構建泛基因組推動功能基因組學研究發展。

6 結語

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群體建立初級階段。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支撐。