全基因组de novo测序

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经典案例

全基因组de novo 测序探索陆地棉进化与纤维发育机制

sequencing of allotetraploid cotton (Gossypium hirsutum L. acc. TM-1)
provides a resource for fiber improvement)

期刊:Nature Biotechnology
影响因子:41.514
发表单位:南京农业大学、诺禾致源
发表年份:2015年5月

一、研究背景

陆地棉(Gossypium hirsutum L.)隶属锦葵目(Malvales),锦葵科(Malvaceae),棉属(Gossypium),因最早在美洲大陆种植而得名,是世界上最重要的棉花栽培品种,占全球棉花种植面积的90%以上。尽管陆地棉在棉花产业中占据核心地位,但由于其为异源四倍体,相关的全基因组测序工作一直难以开展。来自南京农业大学、北京诺禾致源、美国德克斯大学的国际团队,利用最新测序技术,成功构建了高质量的陆地棉全基因组图谱,为进一步改良棉花的农艺性状提供了基础,同时也为多倍体植物的形成和演化机制提供了新的启示。

二、方法流程

取材

1. 基因组测序:
    陆地棉遗传标准系TM-1
2. 转录组:
    160个组织

建库

1. 小片段库:
    180, 300, 500 bp
2. 大片段库:
    2, 5, 10, 20 Kb

测序

Illumina HiSeq 2000
Sanger测序 BAC-end

分析

1. 陆地棉基因图谱绘制;
2. A亚组和D亚组非对称进化;
3. A亚组和D亚组对陆地棉性状的
    互补性贡献;
4. 棉纤维关键基因的表达及进化
    分析。

三、研究结果

1. 陆地棉基因图谱绘制

陆地棉基因组大小为2.5 Gb,组装结果 contig N50 达到34 Kb,scaffold N50 达到1.6 Mb,其中92%的scaffold可定位到染色体上。组装结果优于目前已测序的多倍体植物油菜(N50=764 Kb)、烟草(N50=345-386 Kb)等。

2. A亚组和D亚组非对称进化

通过比较陆地棉(AADD)、雷蒙德氏棉(DD)和亚洲棉(AA)的基因组序列,估算出陆地棉形成于一百万至一百五十万年前。在陆地棉形成后的一百多万年内,A亚组不仅有更高的蛋白质进化速率,其染色体重排发生频率以及基因丢失和失活的频率均显著高于D亚组。

3. A亚组和D亚组对陆地棉性状的互补性
    贡献

分析发现811个正选择基因(470个在A亚组,341个在D亚组),在A亚组中,正选择基因与纤维长度的发育有重要关系;而在D亚组中,正选择基因多与抗性有关。该结果表明陆地棉继承了两个祖先种中各自的优良性状,因此具有良好的纤维品质及广泛的适应性。


4. 棉纤维关键基因的表达及进化分析

MYB、CESA等纤维发育相关的重要基因开展了表达及进化分析。MYB基因家族中的一个分支在纤维发育中起重要的作用;陆地棉中多个CESA基因在驯化过程中受到了显著的正选择作用,可能与棉纤维品质的改良有直接关系(下图)。

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四、研究结论

本研究通过比较陆地棉(AADD)、雷蒙德氏棉(DD)和亚洲棉(AA)的基因组序列,估算出陆地棉形成于一百万至一百五十万年前。进一步研究发现,MYB基因和CESA基因决定了陆地棉良好的纤维品质和适用性。

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