泛基因組測序

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經典案例

泛基因組測序解析野生大豆遺傳多樣性與重要農藝性狀

De novo assembly of soybean wild relatives for pan-genome
analysis of diversity and agronomic traits

期刊:Nature Biotechnology
影響因子:41.514
合作單位:中國農業科學院作物科學研究所,諾禾致源
發表年份:2014年9月

一、研究背景

大豆是重要的油料和高蛋白糧食兼用作物,而栽培大豆則是由野生大豆經過多年馴化而來。挖掘大豆基因組中優良性狀相關基因對于栽培大豆的遺傳改良研究具有重要意義,近些年各國家及地區在大豆育種方面一直難以取得突破性進展,主要原因是目前大豆品種的遺傳基礎比較薄弱,匱乏的基因資源是限制大豆育種研究的關鍵
大豆的基因組序列雖然在2012年已經公布,許多科學家也通過對大豆進行重測序等研究尋找大豆中主要的遺傳變異,但是這些研究都存在一定的局限性,原因是在野生大豆中存在的變異要遠高于栽培型大豆。此外基于短Reads與參考基因組進行比對會遺失大量的變異位點,如PAV(Presence-absence variation)和CNV(copy number variation),而這些變異位點往往與農藝性狀表型密切相關,因此為了更全面地了解大豆的遺傳信息,構建大豆泛基因組圖譜是非常有必要的。

二、方法流程

取材

基因組測序:
東北、華北、黃淮、華南、日
本、韓國及俄羅斯的7株亞洲地
區代表性野生大豆品種

建庫

小片段庫:180bp
大片段庫:2 kb
Illumina HiSeq 2000

測序

軟件:SOAPdenovo
Contig N50:8~27 Kb
Scaffold N50:17~65.1 Kb
基因組注釋:重復序列注釋,基因結構注釋,基因功能注釋,非編碼RNA注釋

分析

1. 泛基因組構建
2. 變異檢測及注釋
3. 進化分析
4. 農藝性狀基因定位

三、研究結果

1. 組裝和注釋

7株野生大豆基因組最小為889.33 Mb。最大為1,118.34 Mb,7株野生大豆基因組組裝結果contig N50為7.7~26.6 Kb,scaffold N50為16.3~62.7 Kb,平均每個基因組注釋出55,570個基因,其中85~90%的基因為全長基因。

2. 泛基因組構建

對7個野生大豆基因組進行比較,發現共有59,080個基因家族(pan-genome),其中48.6%為7個野生大豆共享(core-genome),51.4%則僅存在于個別樣本中。

3. 變異檢測及注釋

以栽培大豆基因組為參考,7株野生大豆分別鑒定出SNP 3.6~4.7 Mb,其中0.12~0.15 Mb位于編碼區;InDel 0.50~0.77 Mb,2,989~4,181個導致了移碼;大量的變異位點(44~53%)為重測序手段未能識別出的新位點。


3、進化分析

利用670個保守的直系同源基因進行系統進化分析發現,野生大豆與栽培大豆大約在80萬年前出現分離;正選擇分析發現,栽培大豆受到正選擇的基因多與抗旱有關,而野生的大豆受到正選擇的基因多與物種適應性相關。同時對大豆進行基因家族分析顯示只有48.6%的基因家族在7種野生型大豆中都存在,表明大豆存在較多個體特有的基因家族。

4、野生大豆與栽培大豆農藝性狀的遺傳基礎

控制開花時間相關的基因往往與物種適應新的氣候環境有關,通過比較野生大豆和栽培大豆的基因組,鑒定與開花相關的基因家族(如光受體PHYA家族),發現在栽培大豆和野生大豆中較多與開花相關的基因出現功能缺失,但是缺失的類型卻不同。

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四、研究結論

通過測序分析7株野生大豆基因組,發現它們共有59,080個基因家族(pan-genome),48.6%為7個野生大豆共享(core-genome),51.4%則僅存在于個別樣本中;分別鑒定出SNP數量為3.6~4.7百萬個,其中0.12~0.15百萬個位于編碼區;InDel數量為0.50~0.77百萬個,2,989~4,181個導致了移碼;大量的變異位點(44~53%)為重測序手段未能識別出的新位點,這些基因和位點與抗逆、抗病、花期、產油量和高度等重要農藝性狀相關。

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