胡蘿卜全基因組測序文獻

2017-03-10    編輯:諾禾致源

傳統方法

在這個三代測序、光學圖譜、10×genomics和Hi-C 等新技術橫飛的年代,本研究仍采用 454 及 Illumina 平臺二代測序技術,結合BAC末端測序和連鎖圖譜對一個橙色胡蘿卜的雙單倍體進行了全基因組測序組裝和后期研究。
胡蘿卜基因組大小約為 473Mb,組裝后的基因組大小為 421.5Mb,共包含4907條 scaffold,組裝結果中 Contig N50:31.2kb,Scaffold N50:12.7Mb,大約86%的基因組序列包含在60條超長 scaffold 中。基因組組裝完成后進一步被定位到染色體水平,最長的 scaffold 長度達到 30.2 Mb,占到4號染色體總長的85%。之后利用亞端粒 BAC 克隆以及端粒探針進行細胞學評估,結果表明組裝延伸到了端粒和亞端粒區域,進一步說明了胡蘿卜基因組組裝的高物理覆蓋水平。

圖1 胡蘿卜1號染色體的多維圖像和串聯重復進化

全基因組測序研究

全基因組研究中基因家族、進化歷史、基因共線性等研究是最為主流的分析內容,即使研究方向在不同層面展開,基礎的比較基因組研究仍要完整進行。

研究對重要基因家族的分析表明,涉及調節功能(結合)和信號通路(蛋白激酶)的蛋白域在胡蘿卜特有基因中較豐富,并且在γ事件后發生 WGD 事件的基因組含有更多的調節基因。研究預測了643個抗性基因(R基因),胡蘿卜和其他基因組中,種系特異性復制促成了 R 基因家族的擴增和多樣化,NL 和 CNL 家族的擴增可能反 映了進化事件中的串聯重復,最終導致了染色體2、3~7上優質的基因簇。分析表明串聯重復在 R 基因擴增中的重要作用,此外,R基因簇可能形成了不斷進化的新的植物病原體相互作用遺傳多樣性資源。

研究還對13個不同基因組進行了比較系統學分析,結果表明胡蘿卜和葡萄發生分歧大約在113百萬年前,和獼猴桃在約101百萬年前,和馬鈴薯、番茄在約90.5百萬年前,之后和生菜在約72百萬年前發生分歧。確定了兩次胡蘿卜特有的全基因組復制(WGD)事件,Dc-α 和 Dc-β,與所有真雙子葉植物共享的γ復制事件有重疊部分。這些 WGD 事件分別發生在約43百萬年和70百萬年前(圖2a,b)。

研究還采用已有方法重構了胡蘿卜的復制歷史。來自7個祖先核心雙子葉植物的染色體高度碎片化并分散在胡蘿卜的9條染色體中(圖2c)。和葡萄,西紅柿,咖啡以及獼猴桃基因組的比對分析清晰地表明了基因組復制情況(圖2d)。對 α 峰下包含旁系同源基因的重復版塊的深度分析表明了重復序列的過保留,而 β 峰下則有大量的三倍化版塊(圖2e)。研究認為有至少60個染色體融合或易位、一個種系特異性 WGT(Dc-β)以及一個 WGD(Dc-α)促成了從21個染色體祖先到胡蘿卜9條染色體的多樣化變化。大量結果表明一假說:編碼相互作用產物的基因類別有可能被過度保留。

圖2 胡蘿卜基因組進化分析

多組學聯合分析

245棋牌在物種基因組測序研究快速發展的今天,即使全面進行了基礎分析,單一組學的研究已經顯得比較單薄,即便是全基因組測序也大多要結合其他測序研究,本篇文獻就分別結合了重測序、轉錄組測序以及遺傳圖譜技術等,使研究內容更加精準深刻。

245棋牌為了探究胡蘿卜的馴化模式,對35個個體進行了重測序,之后確定了1,393,431個高質量的 SNP。對不同地區和栽培模式的胡蘿卜品種進行系統發育和聚類分析,東部野生品種是和栽培種親緣關系最近的品種,進一步說明了中東和東亞地區是胡蘿卜馴化的中心地區。聚類分析體現出廣泛的等位基因混合,體現出野生種和栽培種之間的異交特征以及廣泛的地域重疊(圖3a)。在自交品系中遺傳多樣性和雜合性水平明顯降低,可能是雜合胡蘿卜育種過程導致的。為了探究遺傳區域和馴化事件的關系,研究對東部栽培和野生品種胡蘿卜進行了成對群體分化(FST) 水平研究,并在染色體2、5、6、7、8上確定了不同分化信號。染色體5和7上的峰和之前控制主根上類胡蘿卜素積累的 QTL 重疊,而這是胡蘿卜馴化的一個主要特征(圖3b)。

圖3 胡蘿卜遺傳多樣性

物種生物學亮點

圖4 胡蘿卜中與類胡蘿卜素積累相關的表型、
候選基因和轉錄差異

再高新的技術,再全面的測序,再精準的組裝,想要沖刺高分文獻,都離不開一大法器——生物學亮點。抓住準確的物種生物學亮點并極致深入地研究透徹,是高分期刊不可抗拒的一大武器。

本篇文獻的亮點就是調節類胡蘿卜素累積的基因的研究,研究利用兩個作圖群體,確定了在黃色和暗橙色根中都是 Y 調節類胡蘿卜素的大量累積,結論和之前的假設模型一致。精細的定位分析確定了5號染色體上含有 Y 基因的一段 75Kb 的區域(圖4b-e)。在此區域預測的8個基因中沒有一個與已知異戊二烯生物合成基因有同源性,說明胡蘿卜根中 Y 基因位點對類胡蘿卜素累積的調節,超出了異戊二烯生物合成基因的范疇。在這一 75Kb 的區段內,DCAR_032551 是唯一含有突變而造成類胡蘿卜素差異的基因,DCAR_032551 在其第二個外顯子上含有一個 212nt 的插入,導致黃色和暗橙色胡蘿卜中形成了移碼突變。

利用重測序數據,一個長度為 65Kb 的單倍型區塊和所有根樣本(兩個高度著色根除外)相關。在這個 65Kb 區域內,7個單倍型版塊在野生種中檢測出來,在黃色和暗橙色胡蘿卜單倍型塊中的多態性檢測,于4個基因中確定了8個八個非同義 SNP 位點,確定了2個插入缺失,包括 DCAR_032551 中 212nt 的插入(圖4f)。

245棋牌為了確定這一區域是否處在選擇壓力之下,研究進行了核苷酸多樣性,分化和連鎖不平衡(LD)的差異分析,在5號染色體上有一個峰值,與 DCAR_032551 部分重疊。在這一區域,栽培種的高色素部分 LD 增高,而核苷酸多樣性大幅降低(圖4g,h)。

參考文獻

Iorizzo M, Ellison S, Senalik D, et al. A high-quality carrot genome assembly provides new insightsinto carotenoid accumulation and asterid genome evolution.