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第三章 薔薇科 地表最強植物基因組文獻解讀，正在繼續(xù)?？萍季托』锇閭兲氐貙χ参锘蚪M領(lǐng)域已發(fā)的180多篇高質(zhì)量文章進行收集、解讀和歸類，經(jīng)歸納整理后共分十章，前九章為相關(guān)領(lǐng)域已發(fā)表物種文獻解讀，最后一章為植物基因組未來發(fā)展趨勢及預(yù)測。 第二章往期回顧 白菜 ◆ 甘藍 ◆ 鹽芥 ◆ 榨菜 ◆ 擬南芥 ◆ 琴葉擬南芥 第二章十字花科的解讀在不知不覺中就結(jié)束了，在第二章里，我們研究過高大上的古早植物，也討論過親民的蘿卜、榨菜，相信大家都各有收獲。接下來，180+植物基因組文獻解讀計劃就要進入第三章——薔薇科的解讀啦，你們準備好了嗎？！ 薔薇科里有許多富有經(jīng)濟價值的溫帶果品，例如：蘋果、梨、草莓、櫻桃、山楂等，其種植范圍遍布世界各地。所以，薔薇科真的是名副其實的水果王國啊！第三章的第一篇我們就將解讀蘋果中的著名高產(chǎn)品種——金冠蘋果(Golden Delicious)。 文獻題目：High-quality de novo assembly of the apple genome and methylome dynamics of early fruit development 發(fā)表期刊：Nature Genetics 發(fā)表時間：2017年6月8日 影響因子：27 摘要介紹：本研究由法國、意大利、南非、荷蘭、奧地利等多國科學家共同合作，完成了一個迄今為止最好的栽培蘋果品種的基因組從頭組裝。除了第二代和第三代測序數(shù)據(jù)聯(lián)合組裝外，本文還利用光學圖譜技術(shù)提升組裝效果。超過一半的基因組組裝結(jié)果中充斥著重復(fù)序列，這雖然在木本植物中十分常見，但本文進一步在異染色質(zhì)區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個新的大量重復(fù)的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列，并且推測出2100萬年前發(fā)生過一次轉(zhuǎn)座因子的爆發(fā)。 而這次爆發(fā)時間與天山山脈的地質(zhì)隆起時間一致，考慮到天山山脈地區(qū)是蘋果的物種起源中心，這些轉(zhuǎn)座因子及其爆發(fā)過程可能與蘋果和梨的物種分化，及蘋果祖先的物種多樣性的形成具有較大影響。本研究另外探討了蘋果全基因組的甲基化水平，發(fā)現(xiàn)了甲基化在果實發(fā)育等重要農(nóng)藝性狀上有重要意義。 研究意義：完善了2004年第一個蘋果基因組文章當中相對較差的組裝結(jié)果；提供了一個非常完善的蘋果參考基因組；為蘋果基因組重復(fù)序列對其物種分化和祖先物種多樣性形成的研究指出了方向；對影響果實發(fā)育的幾十個基因的甲基化標記進行了深入研究。 研究難點：構(gòu)建一個具有單純遺傳背景的雙單倍體實驗材料；完成大量的全基因組單堿基分辨率的甲基化測序并挖掘?qū)麑嵃l(fā)育有重要影響的基因。 內(nèi)容簡析 研究方向： 1. 蘋果De novo基因組學研究； 2. 蘋果基因組轉(zhuǎn)座子研究； 3. 蘋果轉(zhuǎn)錄組和小RNA分析； 4. 蘋果全基因組甲基化研究； 研究亮點： 1. 二三代聯(lián)合組裝，Bionano輔助組裝； 2. 轉(zhuǎn)座子在蘋果的物種分化與祖先多樣性形成中可能發(fā)揮重要作用； 3. 某些基因的甲基化可能對果實發(fā)育產(chǎn)生重要影響，可用于分子標記輔助選擇育種。 研究問題： 1. 雙單倍體金冠蘋果基因組組裝（二三代測序與BioNano數(shù)據(jù)聯(lián)合組裝）； 2. 重復(fù)序列尤其是轉(zhuǎn)座子的爆發(fā)與蘋果物種分化及多樣性形成的關(guān)系； 3. 蘋果全基因組甲基化水平研究及其與產(chǎn)量等重要農(nóng)藝性狀等的關(guān)聯(lián)，并可為用于栽培蘋果分子標記輔助選擇的表觀標記的開發(fā)提供支持。 研究方法 研究對象：栽培蘋果“金冠”（Golden Delicious）的雙單倍體植株用于基因組de novo研究， 以及2株分別產(chǎn)大小兩種果實的金冠蘋果的不同組織用于全基因組甲基化研究。 所用軟件： 組裝與比對：SOAPdevo2.223，BWA－MEM，Pilon1.17，BESST，IrisViewer v2.5，DBG2OLC； 連鎖圖譜：R package snpStats和LDheatmap； 甲基化分析：deepTools； 注釋：Trinity，SOAPdenovo-trans，EuGene，InterProScan，TargetP； 共線性分析：SynMap； 重復(fù)序列分析：REPET package TEdenovo和TEannot， 所用數(shù)據(jù)： 1. 金冠蘋果全基因組從頭測序的二代shotgun和三代數(shù)據(jù)； 2. BioNano數(shù)據(jù)； 3. 7個栽培和雜交品種的不同組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)； 4. 2個品種的葉片與果實的重亞硫酸氫鹽測序數(shù)據(jù)； 5. 雙單倍體金冠蘋果植株的sRNA數(shù)據(jù)；
Denovo樣品準備：利用一個含有未受精卵子的子房發(fā)育形成金冠蘋果的單雙倍體植株。 轉(zhuǎn)錄組樣品準備：利用7個栽培品種的根，莖，葉，莖尖，種子和花等6個部位的組織樣品提取DNA，反轉(zhuǎn)錄為cDNA。 研究結(jié)果 研究成果： 1. 對金冠蘋果的雙單倍體個體（GDDH13）進行測序，基于二三代測序數(shù)據(jù)及BioNano光學圖譜數(shù)據(jù)和一個高密度的連鎖圖譜組裝得到2150個contigs和280個scaffolds，超過50%的contigs被包含在大于620kb的contigs序列中。進一步結(jié)合600x的光學圖譜數(shù)據(jù)，組裝后的一致性序列的長度從625Mb提高到了649Mb。利用兩種方法對組裝結(jié)果進行評估：將遺傳圖譜上的15417個SNP比對到組裝的scaffold中，發(fā)現(xiàn)同源的數(shù)量達到14732個，而其中可以定位到目標基因組位置的標記達到95.8%，14117個；第二種方法采用SNP標記間的r2參數(shù)來評估連鎖不平衡水平，在本版本的組裝結(jié)果中未發(fā)現(xiàn)任何abrupt jumps。
2. 通過對7個品系的不同組織樣品的轉(zhuǎn)錄組測序和組裝，并進一步比對回組裝后的基因組數(shù)據(jù)，鑒定出來42,140個編碼基因和1,965個非編碼基因，其中23.3%出現(xiàn)在組裝的基因組中。對之前發(fā)布的sRNA數(shù)據(jù)比對回基因組，發(fā)現(xiàn)大部分長度在21和22nt的sRNA都比對回了編碼基因，而大部分24nt都則比對到了TEs，而23nt的則在兩類中分布較平均。 3. 本文重點對重復(fù)序列中的轉(zhuǎn)座子進行了研究。利用TEdenovo檢測流程對基因組中的TEs的拷貝進行注釋，發(fā)現(xiàn)超過基因組57%的區(qū)域包含有轉(zhuǎn)座子。具體分布情況在下面的圖示中展示。 4. 本文對葉片和果實的全基因組單堿基甲基化水平進行了研究，葉片中CG，CHG和CHH所占比例分別為49%，39%，12%。DNA甲基化在染色體中的分布很不均一，甲基化峰出現(xiàn)的區(qū)域集中在非重組熱點區(qū)。和預(yù)期一樣的是，基因序列區(qū)甲基化水平低，而TEs區(qū)是甲基化熱點。針對基因的甲基化狀態(tài)對基因進行了三種分類：I類基因在CG與CHG區(qū)域尤其是其周圍區(qū)域具有高甲基化水平；II類基因在CG具有較低的甲基化水平在CHG和CHH具有極低的甲基化水平，而周圍區(qū)域相對較高；III類基因在基因區(qū)及其周邊區(qū)域甲基化水平均低。第三類基因在蘋果中占比最高（64.5%）揭示了蘋果整體甲基化水平較低。 5. 為了進一步獲得甲基化對果實發(fā)育的影響的信息，文章對比了GDDH13葉片和果實的甲基化水平，發(fā)現(xiàn)了1017個差異甲基化區(qū)域，而其中86%為CHH甲基化。在差異甲基化基因上游2kb的轉(zhuǎn)錄起始區(qū)發(fā)現(xiàn)了幾個與擬南芥同源的基因，這些基因在花和果實的發(fā)育中扮演重要角色。 6. 我們商業(yè)種植的金冠蘋果為本文進行denovo測序的GDDH13與GDDH18的雜交種。前者果實巨大，而GDDH13和18則果實體積小很多，18尤其瘦小。為了研究哪些基因的甲基化會對此產(chǎn)生影響，本文在授粉前3天、授粉后3天、授粉后9天三個時間段對GDDH13和18進行了全基因組甲基化測序。在授粉后9天的樣本中發(fā)現(xiàn)了148個高置信度的差異甲基化基因其中53個基因的甲基化區(qū)域位于啟動子區(qū)。最終發(fā)現(xiàn)GDDH18含有17個啟動子區(qū)域甲基化差異化低水平的基因，而其中一些基因在其它物種中也發(fā)現(xiàn)與果實大小有關(guān)。這可能揭示了GDDH13與18果實大小差異的問題。 圖1 基因組的組裝與結(jié)果驗證 圖2 基因組與表觀基因組共線性分布圖 圖3 轉(zhuǎn)座子的分布及其進化分析 圖4 蘋果葉片與果實中的差異甲基化區(qū)域 |
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