2025-05-26
Highlights
1.泛基因組整合物種內所有個體基因組信息，蘊含的遺傳多樣性遠超單一參考基因組，為育種提供更全面的遺(yi)傳變異特征，助力精準挖掘優異等(deng)位基因(yin)。
2.結構變異（SVs）對生物表型多(duo)樣性有著(zhu)深刻影響，與其它變(bian)異類(lei)型共同推動了物(wu)種的進(jin)化和發(fa)展。
3.SV-GWAS作為泛基因組的完美搭檔，能夠揭示傳統SNP分析(xi)遺(yi)漏的性狀(zhuang)遺(yi)傳機(ji)制(zhi)，為作物育種鑒定出關(guan)鍵基因，大幅度促(cu)進育種進程。
從(cong)泛基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)在育(yu)種(zhong)應(ying)用(yong)中的發展和應(ying)用(yong)可知曉（點擊(ji)查看(kan)），結構(gou)變異(yi)（SVs）屬于必不(bu)可少的板塊(kuai)之一。其(qi)中，泛基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)作為一個物種(zhong)內所有基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)信息的總和，其(qi)蘊含的遺(yi)傳多(duo)樣性遠超單一參考基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)；而 SV，指長度≥50 bp 的基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)序(xu)列變異(yi)類型，涵蓋重復、缺失(shi)、插入、倒位(wei)和易位(wei)等，對生物的表型多(duo)樣性有著(zhu)深刻影(ying)響。那么(me)，如(ru)何在泛基(ji)(ji)因(yin)(yin)組(zu)(zu)的廣袤天地中研究 SV，挖掘其(qi)中的遺(yi)傳奧秘呢？
一、結構變異（SV）研究的時代必然(ran)性
在傳(chuan)統基(ji)(ji)因組(zu)學中(zhong)，基(ji)(ji)因如(ru)同精密的(de)機械零件，SNP（單核苷酸多態性(xing)）是唯(wei)一的(de)調(diao)節旋(xuan)鈕。研究表明(ming)，SV 在某些性(xing)狀的(de)遺傳(chuan)貢獻中(zhong)占比(bi)顯著，例如(ru)小(xiao)麥基(ji)(ji)因組(zu)中(zhong)很多適(shi)(shi)應性(xing)變(bian)異源于染色體大片段倒位(wei)（圖1）。在物(wu)種進(jin)化(hua)歷程中(zhong)，SV 通過改(gai)變(bian)基(ji)(ji)因的(de)結構和(he)數量、調(diao)控元件的(de)序列和(he)位(wei)置等機制(zhi)，為生物(wu)適(shi)(shi)應環境變(bian)化(hua)提供了重(zhong)要的(de)遺傳(chuan)素材(cai)。換句話說，SV如(ru)同基(ji)(ji)因組(zu)的(de) “樂高(gao)重(zhong)組(zu)”，與 SNP 等其他變(bian)異因素共同推動(dong)了物(wu)種的(de)進(jin)化(hua)和(he)發展。
圖1 小(xiao)麥基(ji)因組變異模(mo)式分析
二(er)、結(jie)構變異（SV）的研(yan)究/應用方(fang)向
1.構(gou)建泛基(ji)因(yin)組圖譜，奠(dian)定(ding)研究(jiu)基(ji)石(shi)
研究泛(fan)基(ji)因(yin)組中的(de) SV，首要任務便是構(gou)建(jian)高質(zhi)量的(de)泛(fan)基(ji)因(yin)組圖(tu)譜。以(yi)牛的(de)研究為例，華中農業大(da)(da)學(xue)(xue)團(tuan)隊基(ji)于SV構(gou)建(jian)了目(mu)前(qian)世界規(gui)模最大(da)(da)的(de)牛泛(fan)基(ji)因(yin)組和基(ji)因(yin)組結構(gou)變異(yi)數據庫。在(zai)植物領域(yu)，四川大(da)(da)學(xue)(xue)生(sheng)命科(ke)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院團(tuan)隊整合 19 個楊屬(shu)物種基(ji)因(yin)組數據，構(gou)建(jian)屬(shu)級水平超泛(fan)基(ji)因(yin)組，鑒(jian)定到(dao) 142,202 個非冗(rong)余(yu) SV，并發現(xian) CUC2 基(ji)因(yin)上游調控區的(de)關鍵 SV 驅動葉緣形態分化（圖(tu)2）。
圖(tu)2 楊樹(shu)泛(fan)基(ji)因組分析
2.追溯 SV 起源，探尋演化軌跡
SV 作為(wei)基因(yin)組進(jin)化的(de)重要驅(qu)動(dong)(dong)力，通(tong)過(guo)對(dui)不同動(dong)(dong)植物(wu)(wu)物(wu)(wu)種泛(fan)基因(yin)組中的(de) SV 進(jin)行分析，可以深入了(le)(le)解物(wu)(wu)種的(de)進(jin)化歷程(cheng)、遺傳多(duo)樣性以及(ji)物(wu)(wu)種間的(de)親緣(yuan)關系等。比如，牛(niu)泛(fan)基因(yin)組研究(jiu)通(tong)過(guo) SV 分析揭示(shi)(shi)了(le)(le)東亞瘤牛(niu)與(yu)普(pu)通(tong)牛(niu)的(de)復雜血統(tong)來源，以及(ji)班騰牛(niu)基因(yin)滲入對(dui)環境適應性的(de)貢(gong)獻；在棉(mian)花中，SV 的(de)分布(bu)模式支持了(le)(le)栽培種起源于南美洲野生種的(de)假(jia)說，并(bing)揭示(shi)(shi)了(le)(le)人工選擇(ze)對(dui)纖維品質相(xiang)關 SV 的(de)定向篩選。
3.關聯SV與(yu)表型，挖掘功能奧秘(mi)
90%的(de)(de)(de)動植物(wu)(wu)復雜性(xing)狀(zhuang)（如產量、抗病(bing)性(xing)）受多基因(yin)協同(tong)調(diao)控，而SV是這(zhe)類調(diao)控網絡的(de)(de)(de)核心(xin)樞紐，對生物(wu)(wu)表(biao)型的(de)(de)(de)調(diao)控作用在(zai)多個(ge)物(wu)(wu)種(zhong)中(zhong)(zhong)也得到了驗證。在(zai)水稻中(zhong)(zhong)，miR164-OsCUC1 通(tong)路的(de)(de)(de) SV 變異導致葉緣缺刻表(biao)型，而 miR319 的(de)(de)(de)上調(diao)通(tong)過抑(yi)制(zhi)茉莉酸信號(hao)通(tong)路加劇病(bing)毒侵染。牛基因(yin)組中(zhong)(zhong)，APPL2 基因(yin)內含子(zi)的(de)(de)(de) Bov-tA1重復插入影(ying)響(xiang)肌肉(rou)葡萄糖代謝，可能與地方品種(zhong)的(de)(de)(de)肉(rou)質差異相(xiang)關（圖3）。
圖3 SV對功能基(ji)因組(zu)特征和QTL的影響
4.SV-GWAS：泛基因(yin)組的完(wan)美(mei)搭檔
SV-GWAS是利(li)用基因(yin)(yin)組(zu)結構變異（如大(da)片段(duan)缺(que)失、重復、倒位等）而非單(dan)核苷酸多態性（SNP）進行(xing)全基因(yin)(yin)組(zu)關(guan)聯分析(xi)的方法(fa)，旨在揭示傳(chuan)統SNP分析(xi)遺漏的性狀(zhuang)遺傳(chuan)機(ji)制。據統計，約15%的人類性狀(zhuang)遺傳(chuan)力(li)無法(fa)通(tong)過SNP解釋，而SV可填補這(zhe)一“遺傳(chuan)缺(que)失”；在作物育種中，SV-GWAS已鑒定出玉米抗(kang)倒伏相關(guan)的大(da)片段(duan)缺(que)失（如ZmWUS1基因(yin)(yin)），大(da)幅度促進產(chan)量。
精選案例
文章(zhang)題目：Pan-genomic analysis highlights genes associated with agronomic traits and enhances genomics-assisted breeding in alfalfa
研究(jiu)材料：24個紫花苜蓿
分析(xi)內容：基因(yin)組組裝；泛(fan)基因(yin)組構建；SV-GWAS；全(quan)基因(yin)組選(xuan)擇（GS）分析；轉(zhuan)錄組
主要研究發現：
1.構建了包含 24 個紫花(hua)苜蓿個體的泛基(ji)因(yin)組，發(fa)現(xian)SVs與外顯子(zi)的重疊比例較(jiao)低，而在基(ji)因(yin)間區(qu)和基(ji)因(yin)上(shang)游(you)區(qu)域存在比例更高(gao)，表明SVs可能與基(ji)因(yin)組多(duo)樣性相關。
2.核心(xin)基因(yin)(yin)的功(gong)能主(zhu)要與(yu)跨膜運輸、離子(zi)通道和蛋白(bai)質加(jia)工(gong)有關；可變基因(yin)(yin)則(ze)更多(duo)富集到參與(yu)遺傳信息處(chu)理、轉錄因(yin)(yin)子(zi)和核苷酸(suan)修復等相關的生(sheng)物過程。
3.結合SV-GWAS、轉(zhuan)錄(lu)組和(he)(he)轉(zhuan)基因材料，確定MsGA3ox1是降低(di)SLR和(he)(he)提高牧草質量的關鍵基因，可作為苜蓿物種育種重(zhong)要的候選基因。
4.深入探究 SV 與苜(mu)蓿(xu)育(yu)(yu)種(zhong)之間(jian)的關(guan)系，基(ji)于(yu)全基(ji)因組選擇（GS）分析證實了基(ji)于(yu)圖形泛(fan)基(ji)因組和(he)結(jie)構變異信息，能(neng)夠更高效地開(kai)展(zhan)基(ji)因組輔助育(yu)(yu)種(zhong)，為苜(mu)蓿(xu)優良品種(zhong)的定向(xiang)培(pei)育(yu)(yu)提(ti)供了有(you)力(li)的分子(zi)工具和(he)理論支撐(cheng)。
圖(tu)4 泛基(ji)因組時(shi)代下的SV促進苜蓿基(ji)因組輔助育種
參考文獻：He F, Chen S, Zhang Y, et al. Pan-genomic analysis highlights genes associated with agronomic traits and enhances genomics-assisted breeding in alfalfa. Nat Genet. 2025 57:1262-1273
