作者：施季森, 王占军, 陈金慧

南京林业大学林木遗传与生物技术省部共建教育部重点实验室, 南京210037

摘要: 近年来, 植物全基因组测序的结果正如雨后春笋般涌现, 木本植物全基因组测序也在紧锣密鼓地展开。但由于木本植物通常基因组较大, 基因组结构较为复杂, 在测序、测序后的组装、注释、功能分析等均存在较大的困难。在基因组测序分析的经费预算方面也存在着较大的压力。因此, 有必要对这方面的研究进展及其存在问题进行分析比较, 以提高林木全基因组研究方面的效率。文章在比较分析已经发展起来的3代基因测序技术(Sanger测序法、合成测序法和单分子测序法)的基础上, 选择4种已经公布的木本植物(杨树、葡萄、番木瓜、苹果), 从全基因组测序的研究背景、测序结果及应用的研究进展和存在问题等方面进行了述评, 对未来要开展的木本植物全基因组测序前的准备工作(材料选择、遗传图谱和连锁图谱的构建、测序技术的选择), 全基因组测序结果的生物信息学分析和应用进行了讨论。

关键词: 木本植物; 测序技术; 全基因组

林木不仅为人类提供了建筑、造纸等重要原料和其他可再生能源, 而且在保水防沙和提高空气质量等领域起着重要的作用。针对木本植物的全基因组测序研究不仅有助于了解树木的基因组结构和功能, 而且对于探索木本植物的起源与进化、开展重要功能基因的定位和克隆、分子标记辅助选择(Marker-assisted selection, MAS)育种等均具有重要的指导意义。众所周知, 木本植物生命周期较长、基因组的杂合度较高、基因组较大, 且多数发生过基因组的复制, 遗传背景不清晰, 这些瓶颈限制了林木全基因组测序研究的进程。2000年, 人们采用传统的Sanger测序技术完成拟南芥全基因组测序, 揭开了植物全基因组研究的序幕。2006年, 又利用Sanger测序技术完成了杨树的全基因组计划, 开启了木本植物全基因组学研究的大门。2011年2月, 继杨树、葡萄、番木瓜、苹果和桃树基因组草图完成后, 第6种木本植物麻风树的基因组草图也公布于世, 6种木本植物全基因组测序的研究为人类进行其他木本植物的全基因组测序研究提供了大量的参考信息(表1)。

 http://s4/mw690/a0d2a3c0gcfb20d675c83&690

作为植物全基因组研究的重要手段, 测序技术经历了需要PCR扩增的第一代Sanger测序法和第二代合成测序法, 已经发展到了无需PCR扩增, 且具有高通量、低成本为特点的第3代单分子测序阶段(表2) 。目前, 第一代测序技术已经规模化, 具有测序读长较长、测序精确度较高等优点, 但测序成本高、速率等不足, 因而制约其进一步扩大应用。与第一代测序技术相比, 第二代测序技术降低了测序成本, 提高了测序速率, 且测序覆盖度更高。其中, 美国的罗氏454测序技术测序读长较长(约在400~1 000 bp/reads之间), 便于准确地序列拼接; 但同聚物核苷酸测序时, 存在较高的误差和价格较高的问 题; Solexa和SOLiD测序均属短读长技术, 序列拼接繁琐且存在一定误差。相对于SOLiD而言, Solexa测序的错误率要高一些, SOLiD测序技术每个碱基都经过两次测序可检出和校正错误识别的碱基。第3代测序技术在测序过程中省略了克隆步骤, 极大地提高了测序速度, 测序成本也降低了好几个数量级, 具有样品准备过程和数据分析流程简单、测序读长较长、测序精度非常高, 能同时进行多个样品分析等优点; 但第3代测序技术的规模化应用尚需时日。

目前, 第二代测序技术已被较多的应用于测序研究中, 美国加利福尼亚大学利用罗氏454测序的最新技术Genome Sequencer FLX Titanium(GS FLX Titanium)进行了海洋宏基因组测序, 研究发现了固氮蓝藻新品种。2010年Nature公布了采用Sanger和罗氏454两种测序法进行的苹果全基因组测序结果, Illumina公司采用的低成本、高效率、快速从头组装测序短序列(35～100 bp)的测序方法, 已成功应用于黄瓜(Sanger 和 Illumina GA(Genome Ana-lyzer))(表1)、蚂蚁(Camponotus floridanus 和 Harpegnathos saltator)、大熊猫(Ailuropoda melanoleura)和土豆(Solanum tuberosum L.)的全基因组测序研究中; 第二代测序技术在遗传背景不清晰的木本植物全基因组研究中也将具有广阔的应用前景。新一代测序技术(New-generation sequencing technologies, NGSTs)的迅猛发展加速了植物全基因组, 尤其是木本植物全基因组研究的进程。但木本植物的测序研究策略和技术有许多方面仍然需要探索。本文通过分析其中4种较为典型的木本植物全基因组测序研究结果, 围绕木本植物全基因组测序研究需要开展的前期基础工作, 测序结果的生物信息学分析和应用进行分析和讨论。

点击读全文

GENEWIZ Suzhou Inc.

http://www.genewiz.com.cn

 http://s16/mw690/a0d2a3c0gcfb22d33bb8f&690
Solid science. Superior service.