2024-10-16
一(yi)、泛(fan)基因組概念 泛基(ji)因組（pan-genome）指的(de)(de)(de)(de)是一(yi)個物(wu)(wu)種(zhong)(zhong)或群體內所有基(ji)因的(de)(de)(de)(de)總和，包括生物(wu)(wu)體內的(de)(de)(de)(de)核心(xin)基(ji)因研究(jiu)和非核心(xin)基(ji)因研究(jiu)。泛基(ji)因組的(de)(de)(de)(de)概念最早在(zai)研究(jiu)細(xi)菌基(ji)因組時提出，但隨著(zhu)測序技術的(de)(de)(de)(de)進(jin)步(bu)，已(yi)經被廣泛應用于(yu)各種(zhong)(zhong)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)物(wu)(wu)種(zhong)(zhong)，構建泛基(ji)因組有助于(yu)深入理解基(ji)因組的(de)(de)(de)(de)復雜(za)性和多(duo)樣性，解析結構變異，高(gao)效挖掘功能(neng)基(ji)因，對推動現(xian)代馴化研究(jiu)和品種(zhong)(zhong)選育具有重要意義。 【圖(tu)】不同品種番茄 二、植物泛基因(yin)(yin)組(zu)發展歷程及泛基因(yin)(yin)組(zu)構建方法(fa) 泛基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)(zu)學的(de)(de)(de)起源可以(yi)追溯到2005年(nian)對8個不同的(de)(de)(de)菌株組(zu)(zu)(zu)(zu)裝成第一(yi)個細菌泛基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)(zu)。這一(yi)開(kai)創性工作被2014年(nian)首次在(zai)(zai)野生大豆中進行的(de)(de)(de)植物泛基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)(zu)分析所繼承，揭(jie)示了與疾(ji)病(bing)抗(kang)性、開(kai)花(hua)時(shi)間(jian)和(he)(he)(he)種子組(zu)(zu)(zu)(zu)成相關(guan)的(de)(de)(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)存在(zai)(zai)/缺(que)失(shi)變(bian)異。這些(xie)早期研究表明，泛基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)(zu)學有望解(jie)開(kai)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)(zu)變(bian)異復雜(za)性和(he)(he)(he)其(qi)對表型多(duo)樣性的(de)(de)(de)影響。2010年(nian)代(dai)以(yi)來(lai)測(ce)序成本的(de)(de)(de)下降使人們(men)能(neng)夠獲得更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)(zu)數據(ju)，并且(qie)通(tong)(tong)過(guo)大規模測(ce)序來(lai)豐(feng)富(fu)我(wo)們(men)對群體遺傳多(duo)樣性水平(ping)的(de)(de)(de)理解(jie)。這個時(shi)期引入了許多(duo)新型計算方法和(he)(he)(he)生物信息工具，旨(zhi)在(zai)(zai)管理、分析和(he)(he)(he)解(jie)釋高通(tong)(tong)量測(ce)序平(ping)臺產生的(de)(de)(de)大量基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)(zu)數據(ju)。例如(ru)，迭(die)代(dai)映射和(he)(he)(he)組(zu)(zu)(zu)(zu)裝方法對于識(shi)別物種內的(de)(de)(de)基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)PAV至關(guan)重(zhong)要，用于構(gou)建泛基(ji)(ji)(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)(zu)。 【圖】主(zhu)要植物泛基(ji)因(yin)組(zu)研究時間線 三、植物泛基因組在育(yu)種中的應用 泛基(ji)因(yin)組(zu)在(zai)植物遺傳(chuan)研(yan)究和育(yu)(yu)種中的(de)(de)應用 我們見(jian)證了過(guo)去二十年作物育(yu)(yu)種的(de)(de)重大進(jin)步(bu)，這主要得益(yi)于(yu)基(ji)因(yin)組(zu)資源和技術(shu)的(de)(de)快速發(fa)(fa)展，并且這些技術(shu)已(yi)經完(wan)全(quan)整合(he)(he)到標記(ji)輔助(zhu)選(xuan)擇(ze)、基(ji)因(yin)聚合(he)(he)、全(quan)基(ji)因(yin)組(zu)選(xuan)擇(ze)（GS）以及基(ji)因(yin)編輯等(deng)方法中。泛基(ji)因(yin)組(zu)比傳(chuan)統單個參考基(ji)因(yin)組(zu)具有許多優勢(shi) (Bayer 等(deng)人，2020)，因(yin)此將在(zai)作物遺傳(chuan)學研(yan)究和分子育(yu)(yu)種中發(fa)(fa)揮(hui)越來(lai)越重要的(de)(de)作用。 功能基因定(ding)位(wei)：基于泛基因組圖譜的(de)SV已(yi)成功用(yong)于大豆、水(shui)稻、番茄和黃瓜(gua)的(de)GWAS，揭示了無法通過(guo)從線(xian)性參考中識別SNP來(lai)發現的(de)新位(wei)點(dian)。 群(qun)(qun)體基因組(zu)分析(xi)：近年(nian)來(lai)，對作物進行了大規(gui)模的(de)(de)(de)重(zhong)測(ce)序工作，揭(jie)示了與作物馴化、適應和育種(zhong)過程相關的(de)(de)(de)遺傳多樣性(xing)、群(qun)(qun)體結構、選擇(ze)性(xing)清(qing)除分析(xi)等(deng)。然(ran)而，這些(xie)分析(xi)幾乎完(wan)全基于SNP或小的(de)(de)(de)InDel。越(yue)來(lai)越(yue)多的(de)(de)(de)證(zheng)據表(biao)明(ming)，用(yong)SV估計(ji)的(de)(de)(de)群(qun)(qun)體結構可(ke)能與用(yong)SNP估計(ji)的(de)(de)(de)有所不(bu)同。使用(yong)泛基因組(zu)作為參考重(zhong)新分析(xi)已發表(biao)的(de)(de)(de)大規(gui)模重(zhong)測(ce)序數據，以識別更(geng)全面的(de)(de)(de)遺傳變異并(bing)更(geng)新以前的(de)(de)(de)人群(qun)(qun)基因組(zu)結果。 表觀(guan)遺(yi)傳(chuan)學研究：表觀(guan)遺(yi)傳(chuan)特征，包括DNA甲(jia)基化(hua)、組蛋白修飾、小非編碼RNA、染色質可及性和三維組織(zhi)，表現出很強的組織(zhi)和細(xi)胞類型特異性，在(zai)植物中(zhong)進行了廣(guang)泛的研究。除了個體內的表觀(guan)遺(yi)傳(chuan)變異外，表觀(guan)遺(yi)傳(chuan)特征還作(zuo)為表型等位基因在(zai)個體之(zhi)間變化(hua)，可以捕(bu)獲或創造(zao)以促進作(zuo)物改良。越來(lai)越多的研究探索了與(yu)作(zuo)物馴化(hua)和育(yu)種相關的群體表觀(guan)遺(yi)傳(chuan)變異。 基因(yin)組選擇（GS）育(yu)種：與(yu)GWAS類似，全基因(yin)組SNP也常(chang)用(yong)于GS。然而(er)，早期(qi)研(yan)(yan)究表明，常(chang)見(jian)SNP僅解釋了復雜(za)性(xing)狀窄系遺傳力的(de)(de)少數部(bu)分，這(zhe)是(shi)(shi)一個影響(xiang)育(yu)種實(shi)踐(jian)預測準(zhun)確性(xing)的(de)(de)“缺失(shi)遺傳力”問題。最近一項(xiang)番茄(qie)的(de)(de)研(yan)(yan)究表明，使用(yong)圖譜參(can)考基因(yin)組識(shi)別SVs可部(bu)分挽救復雜(za)性(xing)狀的(de)(de)“缺失(shi)遺傳力”，可能是(shi)(shi)因(yin)為SVs與(yu)致(zhi)病(bing)變(bian)異之間的(de)(de)更強連鎖不平衡難以(yi)通過常(chang)見(jian)SNP捕獲，以(yi)及(ji)長期(qi)以(yi)來認為SVs更可能是(shi)(shi)致(zhi)病(bing)變(bian)異的(de)(de)觀點。這(zhe)些新建立(li)的(de)(de)測序方法(fa)，伴隨(sui)著先進的(de)(de)預測算法(fa)如深度學習(xi)方法(fa)，有望(wang)進一步通過新型GS方法(fa)推動作物遺傳收益的(de)(de)增長。 基(ji)因編(bian)(bian)輯(ji)(ji)：現(xian)在(zai)，主要由CRISPR-Cas9技術驅動的(de)基(ji)因編(bian)(bian)輯(ji)(ji)提供了(le)一種加(jia)速育(yu)種的(de)新策略，通過創建以(yi)前不存在(zai)的(de)等位(wei)基(ji)因來(lai)加(jia)快育(yu)種進(jin)程(cheng)。植(zhi)物基(ji)因編(bian)(bian)輯(ji)(ji)系統也在(zai)迅速發展，以(yi)提高(gao)編(bian)(bian)輯(ji)(ji)效(xiao)率(lv)并擴(kuo)大可編(bian)(bian)輯(ji)(ji)位(wei)點和受(shou)體的(de)范圍(wei)，來(lai)自(zi)更多樣化(hua)的(de)遺傳(chuan)背景。在(zai)這方面，泛基(ji)因組(zu)不僅可以(yi)提供值(zhi)得編(bian)(bian)輯(ji)(ji)的(de)主要候(hou)選基(ji)因清單，還可以(yi)通過為建立一個(ge)優化(hua)的(de)編(bian)(bian)輯(ji)(ji)系統提供高(gao)質量的(de)基(ji)因組(zu)序(xu)列(lie)，擴(kuo)展可行的(de)作物物種或品種。 【圖】泛基(ji)因組(zu)學在遺傳學研究和育種實踐中(zhong)的(de)應用 四、泛基因組(zu)材料如何選擇 1）開放泛基(ji)因組材(cai)料選(xuan)擇 對于開放泛基因(yin)組(zu)，由于其核心(xin)基因(yin)組(zu)和整個泛基因(yin)組(zu)含(han)量需要更多個體才能充分展示物(wu)種內全部遺傳信息(xi)，因(yin)此材(cai)料選擇(ze)時通常(chang)需要考(kao)慮以下幾點： 遺(yi)(yi)傳(chuan)多(duo)樣性：選擇(ze)具有豐富(fu)遺(yi)(yi)傳(chuan)多(duo)樣性的材料，有助(zhu)于發(fa)現更多(duo)的非核心基因和特(te)有基因，從而更全面地了(le)解物(wu)種(zhong)的遺(yi)(yi)傳(chuan)變異。 生(sheng)態地理類型：涵(han)蓋不(bu)同生(sheng)態地理類型的材料，可以反映物種在不(bu)同環境下的適應性(xing)進化(hua)情況。 野生與栽培種質：結合野生種和栽培種進行研究，有助于發(fa)現(xian)馴(xun)化過程中遺傳多樣性(xing)的(de)變化以(yi)及特有性(xing)狀的(de)基因(yin)資源。 2）閉合泛(fan)基(ji)因組材料(liao)選擇 對(dui)于閉合泛(fan)基(ji)(ji)因(yin)組(zu)，由于其(qi)核(he)心基(ji)(ji)因(yin)組(zu)和(he)整(zheng)個泛(fan)基(ji)(ji)因(yin)組(zu)含(han)量(liang)會隨(sui)著個體增加很快到達平臺(tai)期(qi)，因(yin)此材料選擇時可以考慮以下幾點： 代表性(xing)樣(yang)(yang)本：選擇能(neng)夠充分代表物(wu)種遺傳和表型多樣(yang)(yang)性(xing)的(de)樣(yang)(yang)本，有助于構(gou)建出具有準(zhun)確(que)性(xing)和可靠性(xing)的(de)泛基(ji)因組圖譜。 親緣關系(xi)：選擇親緣關系(xi)相對(dui)接近的材料，可(ke)以在一定程(cheng)度上減少泛(fan)基因組的規(gui)模(mo)和(he)復雜性(xing)，同時保證核心基因組的穩定性(xing)和(he)一致性(xing)。 已知基因組信息：優先選(xuan)擇已有(you)較為完整基因組信息的材料，有(you)助(zhu)于在構建泛基因組時(shi)進行更(geng)準確(que)的基因注釋(shi)和(he)比較分析。 3）根(gen)據生物學問題選(xuan)擇材料(liao) 物(wu)(wu)種起源與演(yan)化(hua)：為了研(yan)究物(wu)(wu)種的(de)起源及演(yan)化(hua)等生物(wu)(wu)學問題，可(ke)以(yi)(yi)選擇不同亞種的(de)材料(liao)進(jin)行(xing)泛基因組測序。通過比較這些材料(liao)的(de)基因組序列，可(ke)以(yi)(yi)揭示物(wu)(wu)種之(zhi)間(jian)的(de)親緣關(guan)系和進(jin)化(hua)歷(li)程。 重(zhong)要性(xing)狀(zhuang)發(fa)掘(jue)：為了發(fa)掘(jue)與(yu)重(zhong)要性(xing)狀(zhuang)相(xiang)關的基(ji)因(yin)資源(yuan)，可(ke)以選擇(ze)具(ju)有不同特性(xing)的種質資源(yuan)進行泛(fan)基(ji)因(yin)組測序。例如，在(zai)作(zuo)物育種中，可(ke)以選擇(ze)具(ju)有高產、優質、抗逆等優良性(xing)狀(zhuang)的品種進行測序，以發(fa)現(xian)與(yu)這些性(xing)狀(zhuang)相(xiang)關的基(ji)因(yin)變(bian)異。 適(shi)(shi)(shi)應性(xing)進化(hua)研究(jiu)：為(wei)了(le)研究(jiu)物(wu)(wu)種(zhong)的(de)適(shi)(shi)(shi)應性(xing)進化(hua)問題，可以(yi)(yi)選擇不同(tong)生態地理環(huan)境的(de)種(zhong)質資源進行泛基因組測序。通過比較(jiao)這些(xie)材料(liao)的(de)基因組序列和表型特征(zheng)，可以(yi)(yi)揭示物(wu)(wu)種(zhong)在不同(tong)環(huan)境下(xia)的(de)適(shi)(shi)(shi)應性(xing)機制(zhi)和進化(hua)歷程。 因此，要(yao)根據(ju)物(wu)(wu)種(zhong)特性和生物(wu)(wu)學背(bei)景，靈(ling)活選(xuan)擇(ze)材(cai)料(liao)(liao)個數，選(xuan)擇(ze)材(cai)料(liao)(liao)過多(duo)可能(neng)會造成資源的浪費，選(xuan)擇(ze)材(cai)料(liao)(liao)過少獲取的泛(fan)基因組(zu)信息可能(neng)不夠全面(mian)。 五、泛(fan)基因(yin)組(zu)測序策略 參考文獻(xian)： Shi J, Tian Z, Lai J, Huang X. Plant pan-genomics and its applications. Mol Plant. 2023 Jan 2;16(1):168-186. doi: 10.1016/j.molp.2022.12.009. Epub 2022 Dec 15. PMID: 36523157. Hu H, Wang J, Nie S, et al. Plant pangenomics, current practice and future direction[J]. Agriculture Communications, 2024: 100039.
