泛基因組 | 多的是你不知道的事~

物種中不同品系表型差異示意圖
（Jayakodi M et al., DNA Research; Tian X et al.Sci China Life Sci; Barchi L et al.,Plant J）

因此對于一個(gè)物種來(lái)說(shuō)，如果只使用單一的參考基因組進(jìn)行遺傳馴化變異的研究，可能會(huì )丟失掉大量有意義的基因信息。為了解決這些問(wèn)題并充分理解關(guān)鍵物種中重要性狀形成機理，為育種奠定重要的研究基礎，動(dòng)植物泛基因組研究應運而生。

泛基因組近年發(fā)展趨勢（基于NCBI PubMed搜索pan-genome）

泛基因組分析有助于理解物種的特征，同時(shí)泛基因組圖譜提供的復雜基因組變異，有助于解析作物表型和農藝性狀的多樣性。選擇不同亞種材料進(jìn)行泛基因組測序，可以研究物種的起源及演化等重要生物學(xué)問(wèn)題；選擇野生種和栽培種等不同特性的種質(zhì)資源進(jìn)行泛基因組測序，可以發(fā)掘重要性狀相關(guān)的基因資源，為科學(xué)育種提供指導；選擇不同生態(tài)地理類(lèi)型的種質(zhì)資源進(jìn)行泛基因組測序，可以開(kāi)展物種的適應性進(jìn)化、外來(lái)物種入侵性等熱門(mén)科學(xué)問(wèn)題。

泛基因組在遺傳變異發(fā)掘和植物分子育種中應用[1]

其實(shí)說(shuō)了很多泛基因組的概念與意義，那么泛基因組到底能分析哪些內容呢？接下來(lái)容小編一一道來(lái)~

泛基因組構建的開(kāi)放性檢測

廣義的泛基因組是指獲取該物種全部遺傳信息，構建一個(gè)非冗余的集合體。由于個(gè)體間的差異，在構建泛基因組的時(shí)候會(huì )在參考基因組的基礎上，不斷引入新的特異性序列。因此，統計結果可發(fā)現整個(gè)泛基因組的大小隨著(zhù)個(gè)體數量的增加而增加，核心基因組（幾乎存在與全部個(gè)體基因組中）的大小隨著(zhù)個(gè)體數量的增加而減?。ㄈ鐖D1）。

由于物種受到生存環(huán)境與生態(tài)位差異、有效群體規模、多態(tài)性水平差異等因素的影響，泛基因組呈現開(kāi)放型和閉合型兩種模式。對于閉合型的泛基因組，核心基因組和整個(gè)泛基因組含量會(huì )隨著(zhù)個(gè)體增加很快到達平臺期。而開(kāi)放型泛基因組的物種具有更豐富的遺傳資源庫、更強的多態(tài)性與環(huán)境適應性，因此想達到平臺期通常需要更多的個(gè)體加入，才能通過(guò)有限的個(gè)體充分展示物種內全部遺傳信息。從而，通過(guò)泛基因組與核心基因組的比例統計，可以了解所選材料構建的泛基因組是否具有一定的代表性。

圖1開(kāi)放型（左）與閉合型（右）泛基因組[2]

泛基因組核心與非核心基因分析

泛基因組分析通過(guò)對每個(gè)個(gè)體中共有情況進(jìn)行基因集聚類(lèi)，通常分為以下三種：
核心基因（core gene）：在所有動(dòng)植物品系或者菌株中都存在的基因；非核心基因（dispensable gene）：在1個(gè)以及1個(gè)以上的動(dòng)植物品系或者菌株中存在的基因。特有基因（Private）：僅在一個(gè)品系中存在的基因。

圖2 核心基因與非核心基因示意圖[3]

隨著(zhù)基因組數量的增加，核心基因的識別將嚴重受到denovo中組裝錯誤的影響。為了糾正這種錯誤，一些科研工作者將泛基因組進(jìn)一步細分：在所有基因組的為核心基因（core），在幾乎所有品系中發(fā)現的為soft-core，在比soft-core少但不止幾個(gè)品系的品系中發(fā)現的shell，以及在只有幾個(gè)品系中發(fā)現的為cloud。具體的分類(lèi)比例與樣品數量間的關(guān)系并不固定，目的均是為了對基因進(jìn)行分組，以便進(jìn)行可靠的比較（圖3）。而這些分組的基因頻率呈現不對稱(chēng)的首尾高中間低的分布形式，充分展示了不同類(lèi)別基因型的占比情況。

圖3 棉花（上左）、雞（上右）與高粱（下）泛基因組成分
（Li J et al.Genome Biol.2021;Wang K et al.,Mol Biol Evol.2021;Tao Y et al.,Nat Plants.2021）

 

除此之外，根據core、dispensable等各組分聚類(lèi)結果構建基因家族的存在與缺失分布熱圖，進(jìn)一步了解不同材料中的差異情況。同時(shí)可結合不同來(lái)源or不同表型等特征充分挖掘其基因型的多態(tài)性。

圖4 雞泛基因組中每個(gè)個(gè)體基因家族的存在缺失分布圖
（Wang K et al.,Mol Biol Evol.2021）

從進(jìn)化的角度來(lái)講，pan-genome中鑒定出的核心基因（core genes）可能是執行關(guān)鍵功能的基因，其在一個(gè)物種中傾向于一些保守的基因。相反，非核心基因促進(jìn)了物種的多樣性，使其能夠適應各種環(huán)境條件。核心基因通常富集到控制著(zhù)生命體基本生成代謝的基本細胞功能,而非核心基因則富集到與環(huán)境和防御反應，受體和抗氧化劑活性，基因調控以及信號轉導等相關(guān)的功能。通過(guò)功能注釋可了解到核心、可變與特有基因家族的功能情況，從而找尋物種特異的功能與性狀形成相關(guān)通路（圖5）。

圖5 水稻共有和特有基因家族分析
（Choi J Y et al., Genome Biology.2020）

例如，地中海貽貝泛基因組研究中發(fā)現，可變基因顯著(zhù)富集在與環(huán)境適應性相關(guān)的通路中（如細胞凋亡、免疫信號傳導等），增強了地中海貽貝的環(huán)境適應性（圖6）。

圖6 貽貝泛基因組表達情況
（Gerdol M et al., Genome Biology.2020）

眾多研究表明，非核心基因比核心基因的可變性更強；與核心基因集相比，非核心基因集中的非同義突變比同義突變的比率要高。因此通過(guò)同義與非同義突變（ka/ks）可以用來(lái)檢測非核心基因集中基因是否受到選擇作用。

圖7 高粱泛基因組Ka/Ks占比情況
（Tao Y et al.,Nat Plants.2021）

泛基因組變異分析

結構變異是泛基因組的重點(diǎn)研究對象,這些變異信息為物種的人為選擇及自然選擇提供原始的材料。了解變異產(chǎn)生的過(guò)程，探究不同材料的變異程度并利用有利的變異對維持并提高物種生產(chǎn)力至關(guān)重要，有助于解析物種表型和農藝性狀的多樣性。泛基因組研究，為更好地了解SV在動(dòng)植物馴化中的作用提供了基礎。主要研究的變異類(lèi)型為：SNP（Single nucleotide polymorphism），即單核苷酸多態(tài)性變異，主要指在基因組水平上由單個(gè)核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性，這種變異可由單個(gè)堿基的轉換（transition）或顛換（transversion）所引起。InDel（Insertion-Deletion），指的是在基因組的某個(gè)位置上所發(fā)生的小片段序列的插入或者刪除,其長(cháng)度通常在在 2 bp-50 bp 之間。SV（Structure Variantions），即基因組結構性變異，通常指的是基因組上大長(cháng)度的序列變化和位置關(guān)系變化，有豐富的變異類(lèi)型，包括長(cháng)度在50bp以上的長(cháng)片段染色體倒位、染色體易位、重復、存在/缺失（PAV）、拷貝數變異（CNV）。

圖8 SV變異類(lèi)型[4]

例如高粱泛基因組研究發(fā)現，相對于參考基因組，其它高粱個(gè)體基因組中有429~1118個(gè)基因存在拷貝數變異（CNV）。功能注釋顯示這些CNV基因豐富了防御反應、信號轉導和細胞蛋白分解代謝等生物學(xué)過(guò)程。并且不同高粱個(gè)體基因組上存在大量的存在缺失變異（PAV），有2514個(gè)基因受PAV嚴重影響，這些基因富集于與生物和非生物脅迫相關(guān)的生物過(guò)程，而抗病基因在這組基因中顯著(zhù)富集。進(jìn)一步研究發(fā)現Yellow seed1、SbRc的PAV影響到高粱籽粒顏色變化（圖9）

圖9 Yellow seed1 基因和sbRc基因的序列差異
（Tao Y et al.,Nat Plants.2021）

除此之外，在其他物種中同樣也發(fā)現大量結構變異導致性狀差異。在水稻中，主要基因的presence/absence變異賦予其對淹沒(méi)這一環(huán)境的耐受性，如Sub1A基因的PAVs變異(Xu et al., 2006)，兩個(gè)乙烯反應因子基因，SNORKEL1和SNORKEL2，進(jìn)一步引發(fā)了深水水稻與非深水水稻對水深的不同反應(Hattori et al., 2009)。水稻泛基因組研究發(fā)現SV熱點(diǎn)區域與稻瘟病抗性QTLs重疊/鄰接，OsGLP2-1的存在可能保證種子的適當休眠，有助于其適應環(huán)境。

圖10 水稻SV熱點(diǎn)區域與種子休眠相關(guān)基因插入
（Qin P et al., Cell.2021）

眾多泛基因組SV分析結果中我們不難發(fā)現，SV在農作物重要農藝性狀的遺傳控制中起著(zhù)關(guān)鍵作用?；蚪M的結構變異可以導致物種個(gè)體間基因結構、表達特性、基因劑量等發(fā)生實(shí)質(zhì)性地變化，并對動(dòng)植物農藝性狀形成了深刻的影響。

圖形泛基因組構建

圖形泛基因組是指以參考基因組為框架，將其他個(gè)體材料基因組序列與之比對，存在差異的地方構成不同的分支，并隨著(zhù)新序列的加入不斷擴展變化，最終構建出一個(gè)包含全部變異信息的復雜圖形結構（圖11）。圖形泛基因組可以更好的展示每部分序列在泛基因組中的位置關(guān)系，使構建一個(gè)包含物種內全部遺傳信息的泛基因組成為可能。圖形泛基因組已經(jīng)在大豆、水稻、牛、高粱等物種有了初步構建與應用，為基因組學(xué)研究提供了一個(gè)重要的推動(dòng)力。

圖11 圖形泛基因組構建過(guò)程[3]

轉座子分析

TEs轉座因子(Transposable element，TE)：又稱(chēng)之為“跳躍基因” “可移動(dòng)的遺傳因子”，是基因組中最活躍的部分，TE的活性被認為是不同物種之間基因組大小變化的重要因素。SVs可以通過(guò)TEs轉座子的移動(dòng)而形成(主要位于非核心基因區），在很多物種中已經(jīng)發(fā)現PAVs富集在轉座子TEs區，TE活性可以介導大規模的染色體重排。隨著(zhù)時(shí)間推移，轉座子兩端的LTR由于堿基突變逐漸產(chǎn)生了差異。通過(guò)這種與時(shí)間長(cháng)短有關(guān)的序列差異，利用LTR之間的分化距離計算轉座子插入至基因組的時(shí)間，進(jìn)而可以評估不同品種的遺傳進(jìn)化關(guān)系。

水稻中TEs，尤其是LTRs促進(jìn)非等位同源重組（Qin P et al.,Cell.2021）；玉米泛基因組中隨著(zhù)個(gè)體的增加，LTR插入呈現向中心富集，并與插入時(shí)間的增加相關(guān)。

圖12 水稻中TE類(lèi)別比例與玉米LTR插入時(shí)間與分布
（Qin P et al., Cell.2021；Haberer G et al., Nat Genet.2020）

群體變異挖掘

由于泛基因組保留了群體完整的基因組多樣性，可鑒定到單一參考基因組無(wú)法鑒定的基因組變異。泛基因組結合GWAS、QTL等數據，可進(jìn)一步提高變異與性狀關(guān)聯(lián)的精度，捕獲到更加完整的遺傳變異信息，植物遺傳學(xué)家和育種者提供全面的基因組資源，對于物種育種和研究具有重要的意義。例如玉米泛基因組研究發(fā)現，在檢測到的GWAS信號中，關(guān)聯(lián)信號中SV相關(guān)的信號有93.05%與SNPs識別的信號重疊，SV特有信號最顯著(zhù)的是關(guān)聯(lián)到10號染色體上的北葉枯病QTL。該SV位于編碼thylakoid lumenal protein的基因內；這些蛋白質(zhì)可以通過(guò)調節病毒感染期間的細胞死亡與植物免疫關(guān)聯(lián)。

圖13 玉米SV 與SNP GWAS（Hufford MB et al., Science.2021)

前期泛基因組系列文章已舉非常多的案例，這里不再反復闡述~（點(diǎn)擊回顧：泛基因組(Pan-genome)研究思路與應用—作物篇）

泛基因組研究展現了作物多樣性和改良的前景，總的來(lái)說(shuō)其研究?jì)热葜饕性诓煌鷳B(tài)型、表型等品系材料間共同與差異的基因與功能研究。重要的是這些變異能被挖掘并為育種提供重要的理論基礎。

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