植物基因組研究思路（一）林木篇

隨著三代測(cè)序（PacBio和Nanopore）技術(shù)的不斷發(fā)展，已有越來(lái)越多的植物完成的基因密碼的破譯，然而在高質(zhì)量基因組破譯的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同領(lǐng)域物種（如林木，中藥，農(nóng)作物，園藝作物，水生植物等）的基因組研究思路又是怎樣的呢？從本章節(jié)起，小編分期為各位讀者帶來(lái)植物領(lǐng)域物種研究思路，本期我們重點(diǎn)介紹下林木基因組研究思路。

林木是木本植物的總稱(chēng)，包含喬木、灌木和木質(zhì)藤本之分，林木主要是種子植物。中國(guó)約有8000種林木。分為榕樹(shù)、楊樹(shù)、柳樹(shù)、柏樹(shù)、松樹(shù)等。由于林木的生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，構(gòu)建家系群體耗時(shí)，難度較大，但自然種群居多，所以針對(duì)林木類(lèi)基因組主要采用群體進(jìn)化及轉(zhuǎn)錄組等手段進(jìn)行相應(yīng)生物學(xué)問(wèn)題的研究。

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林木基因組研究技術(shù)路線

 

林木基因組重點(diǎn)研究思路（一）基因組+群體進(jìn)化

案例（1）：開(kāi)心果基因組

基因組組裝策略：Illumina+PacBio

基因組組裝結(jié)果：組裝基因組大小671 Mb；Contig N50=75.7 Kb；

群體進(jìn)化研究：群體材料選擇（重測(cè)序）：107個(gè)開(kāi)心果（93個(gè)馴化+14個(gè)野生）、35個(gè)不同野生黃連木屬物種；

圖1 體進(jìn)化分析

研究結(jié)果1：揭示了開(kāi)心果的兩步馴化過(guò)程（栽培種質(zhì)分為兩個(gè)群。栽培種Group I的LD值最高，栽培種Group II和野生開(kāi)心果的LD衰減值相近。Group II包括 Qazvini，Italiaei和Badami Zarand在內(nèi)的5種類(lèi)型的個(gè)體，且這些種質(zhì)被記錄為古代具有種子的材料）；

 

圖2 開(kāi)心果株型群體馴化（野生/馴化）分析

研究結(jié)果2：在開(kāi)心果中，基因組上約有 9.2 Mb 的區(qū)域被鑒定為具有高水平的群體分化，包含665個(gè)基因，其中開(kāi)心果株型可能與 SAUR55 基因的選擇相關(guān)，同時(shí)該基因 表現(xiàn)出了顯著增加的表達(dá)水平；果實(shí)重量的變化發(fā)生在馴化與人工選擇期間（CYCD7-1基因）。

轉(zhuǎn)錄組研究：耐鹽機(jī)制研究；葉片和根（正常和鹽處理）；

圖3 開(kāi)心果鹽脅迫下轉(zhuǎn)錄組分析

研究結(jié)果：轉(zhuǎn)錄組研究分析發(fā)現(xiàn)編碼幾丁質(zhì)酶的基因和參與 JA 生物合成途徑的基因可能有助于開(kāi)心果適應(yīng)鹽水環(huán)境。

 

案例（2）：白?；蚪M

 

基因組組裝策略：Illumina+Nanopore+Hi-C

基因組組裝結(jié)果：組裝基因組大小346 Mb；Contig N50=2.7 Mb；

圖1 白?；蚪M組裝結(jié)果

群體進(jìn)化研究：群體材料選擇（重測(cè)序：~15.6X）：134份桑樹(shù)種質(zhì)（132份栽培種，來(lái)自中國(guó)和日本；2份野生種，來(lái)自中國(guó)陜西）；

 

圖2 桑樹(shù)群體進(jìn)化分析

研究結(jié)果1：利用得到的14 Mb SNP對(duì)廣東桑以外的其余四種桑樹(shù)進(jìn)行了聚類(lèi)分析，未得到與形態(tài)分類(lèi)相似的聚類(lèi)結(jié)果，基因組數(shù)據(jù)支持《中國(guó)植物志》中將白桑、魯桑、山桑和瑞穗桑這4種栽培桑樹(shù)種合并的結(jié)論。首次用基因組數(shù)據(jù)明確了栽培桑樹(shù)物種分類(lèi)，認(rèn)為白桑、魯桑、山桑和瑞穗桑都屬于一個(gè)物種，即白桑（Morus alba?L）。

 

圖3 湖桑(NH-JP/π HU)馴化群體選擇研究

?研究結(jié)果2：湖桑祖先群體比非湖桑的祖先群體小，表明湖桑在太湖流域養(yǎng)蠶業(yè)的擴(kuò)張過(guò)程中可能經(jīng)歷了強(qiáng)大的瓶頸或密集的人工選擇；湖桑群體選擇分析揭示馴化過(guò)程適應(yīng)性機(jī)制，發(fā)現(xiàn)與植物生長(zhǎng)，防御反應(yīng)，茉莉酸途徑相關(guān)基因受到選擇（MDN1，HAB1，IQM1，SBT3）。

 

案例（3）：小墊柳基因組

基因組組裝策略：Illumina+Nanopore+PacBio+Hi-C

基因組組裝結(jié)果：組裝基因組大小339 Mb；Contig N50=9.52 Mb；

圖1 小墊柳基因組組裝結(jié)果

 

群體進(jìn)化研究：群體材料選擇（重測(cè)序，~22.1x），77個(gè)小墊柳（14個(gè)主要棲息地）；

 

圖2小墊柳群體進(jìn)化分析

 

研究結(jié)果1：小墊柳具有顯著的種群分化，盡管其具有長(zhǎng)距離傳播的能力，但種群間的基因流微弱；小墊柳自晚中新世以來(lái)的群體波動(dòng)與劇烈的氣候波動(dòng)耦合，天空島效應(yīng)、多樣而異質(zhì)的生境和氣候波動(dòng)可能是驅(qū)動(dòng)小墊柳種內(nèi)群體分化的重要因素；

 

圖3小墊柳群體選擇（高/低海拔）分析

 

研究結(jié)果2：自然選擇在小墊柳高、低海拔群體中的作用區(qū)域和強(qiáng)度都具有顯著的差異，說(shuō)明分布于橫斷山區(qū)海拔高差大、生境多樣而異質(zhì)的物種可能在自然選擇的作用下發(fā)生種下的種群分化（Sabra3G0034400DNA修復(fù)，Sabra12G0047600細(xì)菌防御應(yīng)答，Sabra16G0101100細(xì)胞對(duì)DNA損傷刺激的應(yīng)答和對(duì)寒冷的應(yīng)答）。

 

林木基因組重點(diǎn)研究思路（二）

基因組+全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）

案例：海棗樹(shù)基因組

基因組組裝策略：Illumina+PacBio+遺傳圖譜

基因組組裝結(jié)果：組裝基因組大小772 Mb；Contig N50=897.2 Kb；

圖1 海棗樹(shù)（BC4雄株）基因組組裝

 

群體GWAS研究：群體材料選擇（重測(cè)序，~11.3X；）：157個(gè)海棗品種（ 145 個(gè)雌性品種和 12 個(gè)雄性個(gè)體）；

 

 

研究結(jié)果：海棗性別決定區(qū)域映射到 12 號(hào)連鎖群的遠(yuǎn)端，而這與之前的研究結(jié)果一致；21 個(gè)果實(shí)性狀大多數(shù)性狀沒(méi)有顯著關(guān)聯(lián)；海棗果實(shí)顏色GWAS研究證實(shí)了之前的候選基因（4號(hào)連鎖群上~20 kb區(qū)域），表明油棕 VIR同源基因在海棗中控制紅/黃果實(shí)顏色多態(tài)性海棗糖分含量，定位到~1.1 Mb區(qū)域內(nèi)。

 

北京百邁客林木研究基因組合作文章（部分）