泛基因組及其在植物功能基因組學(xué)研究中的應(yīng)用

潘佳穎

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150030）

植物育種核心物質(zhì)基礎(chǔ)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。現(xiàn)代基因組學(xué)技術(shù)發(fā)展是植物功能基因組學(xué)研究的核心動(dòng)力，高質(zhì)量參考基因組為遺傳變異發(fā)掘提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)框架。最高通量基因組學(xué)，轉(zhuǎn)錄組測(cè)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(duì)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(duì)多樣性資源基因組研究易出現(xiàn)錯(cuò)誤，難以有效鑒定基因中結(jié)構(gòu)變異。拷貝數(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(dǎo)致物種個(gè)體間基因結(jié)構(gòu)等發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。為完整描述群體遺傳變異，科學(xué)家提出泛基因組概念，為功能基因組學(xué)研究提供參考框架。植物泛基因組研究成為植物基因組學(xué)研究熱點(diǎn)。

1 植物泛基因組研究

泛基因組概念源于微生物基因組學(xué)研究，通過(guò)研究細(xì)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(dòng)植物等生物基因組學(xué)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(duì)象，指群體所有功能基因總和。通過(guò)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(duì)群體基因組序列比較分析，微生物組研究以基因?yàn)楹诵姆夯蚪M定義應(yīng)用較多，序列為基礎(chǔ)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(gè)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(fù)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(guān)，基因功能主要富集于生物脅迫、植物發(fā)育等生物學(xué)功能。

基因組學(xué)是20 世紀(jì)90 年代興趣的研究領(lǐng)域，功能基因組是利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供信息，通過(guò)基因全面分析功能，使生物學(xué)研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€(gè)基因系統(tǒng)研究。泛基因組最早應(yīng)用于轉(zhuǎn)座子研究，目前超過(guò)16 個(gè)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(gè)參考基因組不存在新基因，功能富集于生物學(xué)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(cè)序數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行組裝構(gòu)建。策略分為對(duì)所有材料進(jìn)行基因從頭組裝；以已有參考基因組為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比—組裝迭代進(jìn)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(diǎn)，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(duì)每個(gè)材料進(jìn)行基因組從頭組裝方法，可以解決重復(fù)序列組裝問(wèn)題，有利于結(jié)構(gòu)變異發(fā)掘鑒定。缺點(diǎn)是基因組從頭組裝費(fèi)用高，難以大規(guī)模實(shí)施[2]，不能解決大結(jié)構(gòu)變異解析問(wèn)題。

以參考基因組為基礎(chǔ)迭代組裝策略，對(duì)不能比對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)組裝，如不能采用迭代法，可以運(yùn)用類(lèi)似宏基因組組裝策略，組裝得到泛基因組，實(shí)現(xiàn)基因PAV 分析。策略?xún)?yōu)點(diǎn)是技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是難以解決重復(fù)序列組裝，不能很好地對(duì)大結(jié)構(gòu)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(guò)變異圖譜進(jìn)行分析。泛基因組圖提供新的概念，應(yīng)用理論技術(shù)尚不成熟。相對(duì)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(yīng)用前景。目前多數(shù)植物泛基因組構(gòu)建基于二代測(cè)序技術(shù)組裝，應(yīng)用基于參考基因組策略難以解決重復(fù)序列造成組裝錯(cuò)誤[3]。碎片化問(wèn)題影響在結(jié)構(gòu)變異鑒定中的應(yīng)用效果。

PacBiO 等長(zhǎng)讀長(zhǎng)基于單分子測(cè)序三代測(cè)序技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，三代測(cè)序具有長(zhǎng)讀長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn)，可以解決序列組裝問(wèn)題。在光學(xué)圖譜等技術(shù)下實(shí)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(cè)序進(jìn)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(wèn)題。從頭組裝策略費(fèi)用較高，導(dǎo)致構(gòu)建泛基因組多樣性不足等問(wèn)題。迭代組裝利用二代測(cè)序數(shù)據(jù)組裝，可通過(guò)分析個(gè)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(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)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(yīng)用

植物進(jìn)化是植物基因組學(xué)研究的重點(diǎn)，解析植物進(jìn)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以為植物進(jìn)化提供寬泛基礎(chǔ)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(dǎo)致野生大豆黑皮演變?yōu)辄S皮。研究通過(guò)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(guò)泛基因組進(jìn)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(lái)源。利用控制主要農(nóng)藝性狀是植物遺傳改良的基礎(chǔ)，常規(guī)方法通過(guò)比較典型材料基因組結(jié)構(gòu)，新測(cè)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(chǔ)，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(guò)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(yīng)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(dǎo)致偏差，多樣性測(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)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(luò)群體完整基因組多樣性，避免高度多態(tài)性讀數(shù)丟失問(wèn)題。

目前開(kāi)發(fā)多個(gè)新測(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)比方法，基于范基因組測(cè)序數(shù)據(jù)分析成為基因組學(xué)研究重要方法。泛基因組可以提高GWAS 準(zhǔn)確向，GWAS 分析參考基因組不存在功能基因表型，出席縣實(shí)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(yíng)，以B73 參考引資加納定SPN 關(guān)聯(lián)分析檢測(cè)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(dǎo)致GWAS 結(jié)果偏差問(wèn)題。非必須基因組與很多農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)，通過(guò)泛基因組分析非必需基因，對(duì)鑒定抗功能性基因應(yīng)用具有重要價(jià)值。

4 泛基因組在植物研究中的應(yīng)用

功能基因組學(xué)研究是利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供信息，使生物學(xué)研究轉(zhuǎn)向?qū)Χ鄠€(gè)基因同時(shí)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(diǎn)是采用高通量實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。目前功能基因組學(xué)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(duì)功能基因組學(xué)深入研究，包括表達(dá)序列標(biāo)簽、插入突變等。

基因表達(dá)分析系列是快速研究基因表達(dá)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(guò)連接酶將多個(gè)標(biāo)簽隨機(jī)串聯(lián)，可以顯示各SAGE 標(biāo)簽代表基因特定組織表達(dá)，可保留基因表達(dá)數(shù)據(jù)，研究細(xì)胞轉(zhuǎn)錄變化引起生物現(xiàn)象。日本科學(xué)家Matsumura 等人首次利用SAGE 技術(shù)研究高等植物全基因表達(dá)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(dá)，通過(guò)獲得SAGE 標(biāo)簽與已知基因?qū)Ρ确治觯ㄟ^(guò)對(duì)不同狀態(tài)下表達(dá)圖譜比較發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)差異。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)基因食品分析檢測(cè)技術(shù)適用范圍不同，需要進(jìn)行相關(guān)分析檢測(cè)技術(shù)研究。研究對(duì)異源四倍體野生花生進(jìn)行基因組組裝，對(duì)基因組進(jìn)行區(qū)分得到亞基因組。異源四倍體植物具有兩個(gè)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(duì)鑒定抗病基因等問(wèn)題提供幫助，為選育適應(yīng)性強(qiáng)花生品種奠定基礎(chǔ)，對(duì)花生樹(shù)進(jìn)化提供科學(xué)參考價(jià)值。

5 泛基因組應(yīng)用研究展望

目前泛基因組領(lǐng)域需要解決更好地把最新測(cè)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(wèn)題。泛基因組組裝廣泛應(yīng)用三代測(cè)序技術(shù)，解決大規(guī)模群體稀有遺傳變異捕獲問(wèn)題需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)技術(shù)流程。人工智能技術(shù)在泛基因組組裝應(yīng)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(yīng)用研究面臨的挑戰(zhàn)。

泛基因組應(yīng)用研究核心是構(gòu)建合適的數(shù)據(jù)框架，通過(guò)泛基因組呈現(xiàn)群體內(nèi)結(jié)構(gòu)變異。基于圖論泛基因組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是目前研究熱點(diǎn)。大豆泛基因組構(gòu)建利用相關(guān)技術(shù)構(gòu)建基于圖泛基因組，目前相應(yīng)技術(shù)算法不成熟，利用泛基因組圖用于生物信息學(xué)分析，需要復(fù)雜的計(jì)算，開(kāi)發(fā)完整的泛基因組數(shù)據(jù)分析流程，是未來(lái)泛基因組應(yīng)用研究重點(diǎn)。隨著基因組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一參考基因組不能適應(yīng)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(xué)研究提供基礎(chǔ)變異數(shù)據(jù)，構(gòu)建泛基因組推動(dòng)功能基因組學(xué)研究發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

目前植物功能基因組學(xué)研究取得一定進(jìn)展，反向遺傳學(xué)處于大量突變?nèi)后w建立初級(jí)階段。林木功能基因組研究主要研究對(duì)林木響應(yīng)逆境脅迫研究較少，林木功能基因組學(xué)研究需要開(kāi)展廣泛國(guó)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。