林木基因组学研究概述

林木作为重要的自然资源,在生态、社会和经济建设中起着重要的作用,基因作图、基因测序、基因表达的系统分析以及DNA芯片等生物技术的应用为林木遗传机制的研究提供有利的工具,从而为林木新品种的培育提供更为有效的途径。笔者重点对林木结构基因组学、功能基因组学和蛋白质组学的主要研究内容、研究方法和研究进展三个方面进行综述,并对与林木基因组学研究密切相关的生物信息学进行阐述,最后对林木基因组学的发展进行简单展望。     

我国科学家绘制出毛白杨基因组序列框架图

近日,我国林木基因组学研究取得突破。北京林业大学的科学家们选用百年古树作为测序的样本,利用最新的全基因组鸟枪法测序和拼接策略,绘制完成了毛白杨的基因组序列图谱,标志着毛白杨分子育种进入基因组时代。     

鱼类活性DNA转座子的发掘与应用概况

转座子(transposon)是基因组上的一段一定长度的DNA序列,能在自身编码的转座酶作用下,以"剪切-粘贴"的方式在基因组中进行高效转座。基于转座子的插入诱变策略,在包括鱼类在内的脊椎动物重要性状主控基因的筛选、功能解释以及基因组学研究方面有着重要的研究前景。长期以来,DNA转座系统在脊椎动物中的构建和应用都是空白,直到近十来年,随着青鳉Tol2、鲑SB、鲽Passport以及金鱼Tgf2等几例鱼类活性转座子的发现,开启了利用转座子工具在斑马鱼、小鼠等脊椎动物进行转基因和基因组插入诱变研究的新领域。介绍了鱼类DNA转座子的类型、结构特征及应用方面的最新研究进展,探讨了转座子在养殖鱼类重要性状主控基因的发掘、功能解释以及基因组学研究的可行性。     

功能基因组学的研究方法及发展前景

随着基因组学的发展,基因组学的研究已经由全基因组测序为目标的结构基因组学转向以基因功能鉴定为目标的功能基因组学研究,功能基因组学时代对于基于功能的研究也由单一基因转向大规模、批量分析。本文主要从基因功能的基本知识,功能基因组学研究方法及应用前景三个方面进行论述。     

高通量测序技术在林木育种中的应用

林木不仅是重要的可再生资源,为人类提供了衣食住行等最基本的原材料,也是陆地生态系统最重要的组成部分。传统育种方法已在很大程度上促进了林木育种学的发展,但难以满足人类对林木资源需求。新一代的高通量测序技术为这个传统学科带来了技术和方法的革命,这一技术能有效地研究表型和基因型之间的关系,特别是在复杂性状研究中很有优势。利用此技术可以通过新一代遗传作图策略发掘功能基因并对其进行精确定位。综述了国际上林木基因组与遗传育种研究的现状与新发展,并对后基因组时代的林木育种研究的预期成果进行了展望,以为从事该领域研究的科研人员提供参考。     

萝卜抽薹开花相关基因的研究进展

通过构建萝卜抽薹开花相关基因的cDNA文库,获取大量的EST序列,并与十字花科模式植物拟南芥、白菜等进行比较基因组学研究,研究结果显示:萝卜与拟南芥、白菜等植物基因组具有很高的同源性,控制抽薹开花的相关基因在不同物种中具有保守性。拟南芥抽薹研究表明,抽薹开花过程受多基因控制,具有多种调控途径。抽薹开花是一个复杂的过程,其中FLC、FT、LFY等基因处于关键位置。目前这些关键基因在萝卜EST序列中已经发现了同源片段,并进行了一些基因克隆,结合萝卜基因组测序的完成,未来萝卜抽薹研究将进入基因功能验证和全基因组调控模式研究之中。     

高通量测序技术在林木育种中的应用

林木不仅是重要的可再生资源,为人类提供了衣食住行等最基本的原材料,也是陆地生态系统最重要的组成部分。传统育种方法已在很大程度上促进了林木育种学的发展,但难以满足人类对林木资源需求。新一代的高通量测序技术为这个传统学科带来了技术和方法的革命,这一技术能有效地研究表型和基因型之间的关系,特别是在复杂性状研究中很有优势。利用此技术可以通过新一代遗传作图策略发掘功能基因并对其进行精确定位。综述了国际上林木基因组与遗传育种研究的现状与新发展,并对后基因组时代的林木育种研究的预期成果进行了展望,以为从事该领域研究的科研人员提供参考。     

基因组学辅助作物改良研究进展

基因组学研究产生了功能分子标记和生物信息学等新型工具,并形成了能够提高作物改良效率和精确度的有关统计和遗传现象的新知识。基因组学研究对杂种优势和表观遗传学的解析及其操纵有巨大的潜力,最终可以了解一个群体中所有位点等位基因分离的相关知识,从而使育种家可以在微机上对基因型进行设计,并实施全基因组选择。当前高成本的实验限制了基因组学辅助的作物改良,自交作物和小作物尤其突出。然而,作物改良中的标记辅助选择育种将逐步进展到基因组学辅助育种。     

第27届国际动植物基因组学大会要事记

基因组学是对所有基因进行基因组作图(包括遗传图谱、物理图谱、转录本图谱)、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门科学。为探索中外基因组学研究的前沿问题,总结了第27届动植物基因组国际会议上展示的15个相关主题的主要成就,代表目前模式生物、作物、水生生物和微生物基因组学的研究热点。基因组学不仅涉及生物领域,还涉及与其他学科的交叉融合,如医学、环境学、生物学等,基因组学的进步不断推动新技术、新领域如三维基因组学和生态基因组学的产生。此外,简要回顾了本届会议上呈现的新兴研究手段为基因组学研究带来的革命性进展,并对未来的研究方向进行了展望。     

高通量测序技术在香蕉抗枯萎病研究中的应用

文章综述了香蕉枯萎病的危害及防治、高通量测序技术的发展及其在香蕉抗病研究中的应用,发现香蕉受枯萎病菌侵染与JA信号途径有关,编码乙烯合成酶ACC氧化酶的基因和乙烯应答转录因子(ERF)在病原菌侵染香蕉后强烈表达.因此,今后可利用高通量测序技术对香蕉基因组进行研究,在香蕉基因组已经测序完成的基础上,通过转录组分析技术挖掘香蕉抗性突变体抗枯萎病的基因资源,获得香蕉抗性突变体抗Foc4的基因和位点;通过比较基因组学与生物信息学相结合,准确定位物种表型变异相关的基因组区域,加速香蕉中未知功能基因的挖掘和利用;克隆并研究控制重要抗性基因,掌握其抗病规律,为生产中防控香蕉枯萎病提供依据和指导,从而加速抗病品种的选育过程,获得抗性持久的新品种.     

4种大戟科植物PMK基因家族的全基因组鉴定与分析

甲羟戊酸-5-磷酸激酶（PMK）是甲羟戊酸（MVA）途径中的关键酶,其在ATP和Mg2＋等二价金属离子的存在下可逆地催化甲羟戊酸-5-磷酸（MVAP）磷酸化从而形成甲羟戊酸-5-焦磷酸（MVAPP）.基于已公布的基因组和EST数据,对蓖麻、麻疯树、木薯和橡胶树4种大戟科植物的PMK基因进行系统鉴定,分析其基因结构与进化特征.结果表明,蓖麻、麻疯树、木薯和橡胶树分别含有1、1、1和2个PMK基因,所有基因均含有9个内含子.根据同源性,PMK基因可分为2类,Ⅰ类广泛分布于绿色植物和部分古细菌、真细菌和真菌中,Ⅱ类则为动物所特有;虽然绝大多数绿色植物都含有PMK,但基因组范围内的搜索却未能在单细胞的绿藻中找到其同源基因;在大多基因组已测序的物种中,PMK主要以单拷贝的形式存在,其中包括蓖麻、麻疯树和木薯,但在橡胶树中基因出现了加倍现象,这与玉米和杨树类似.基因表达谱分析显示,在叶片、花、Ⅱ/Ⅲ期胚乳、Ⅴ/Ⅵ期胚乳和种子等组织中,RcPMK在Ⅱ/Ⅲ期胚乳中的表达丰度较高,叶片、种子和花次之,而在Ⅴ/Ⅵ期胚乳中的表达丰度最低.     

基因组时代的植物系统发育研究进展

系统发育研究是进化生物中的基本问题,也是其他众多生物学分支学科的基础问题,其核心在于研究不同生物类群间的亲缘关系与进化命运。利用分子数据研究生物之间的进化关系是系统发育研究的重要手段。随着测序技术的提升和测序成本的持续下降,系统发育研究由早期基于单基因或联合少数片段逐步发展到现阶段利用大规模基因组数据对个体、群体、物种以及更高水平的进化关系进行探讨。讨论了目前植物体内的3套基因组(叶绿体基因组、线粒体基因组与核基因组)在系统发育研究中的代表性成果,总结了植物不同基因组的特征及其在系统发育研究中的优势与局限,探讨了系统发育树构建的主要方法,并对未来研究进行了展望。目前,植物体内的3套基因组适用于不同阶元和类群的系统发育研究,不同基因组之间的遗传特性差异使其在系统发育研究中具备不同的优势和应用:① 叶绿体基因组结构相对简单,序列保守,不易重组,单亲遗传,是广泛应用于系统发育学和进化生物学等研究领域的理想分子数据资源;②植物线粒体基因组序列进化速率较慢,目前仅适用于早期植物和大尺度水平的系统发育研究;③核基因组为双亲遗传,可综合揭示双亲谱系及系统网状进化关系,在系统发育研究中具有巨大的应用潜力。不同建树方法适用于不同特征的数据集,在建树过程中应采用合理的方法避免长枝吸引和不完全谱系分选带来的影响。未来核基因组将成为系统发育研究的主流方向,其双亲遗传特性能够为物种形成过程中的杂交和基因组渗入等事件提供充分的见解。随着越来越多的类群系统位置被确定,物种形成和进化过程中的杂交、回交等双亲遗传,以及核质互作、多倍化、功能适应和趋同进化等问题将会成为系统发育研究的重点。表1参78     

玉米大斑病菌Homeobox转录因子家族全基因组鉴定及其表达规律分析

【目的】从全基因组水平上鉴定玉米大斑病菌(Setosphaeria turcica)Homeobox转录因子家族及其分布,阐明该家族的序列及进化特征,分析该家族基因在病菌不同生长发育时期的表达规律。【方法】利用生物信息学手段搜索玉米大斑病菌全基因组数据库,鉴定Homeobox转录因子家族;采用MEGA 5.0软件进行系统进化树分析;利用在线工具GSDS(gene structure display server)(http://gsds1.cbi.pku.edu.cn/index.php)绘制基因结构图;利用Clustal X 1.83软件分析Homeobox保守结构域(HOX保守结构域)的氨基酸序列特征;利用SOPMA(https://npsa-prabi.ibcp.fr/cgi-bin/npsa_automat.plpage=npsa_sopma.html)对Homeobox蛋白的二级结构进行在线预测;利用实时荧光定量PCR(q RT-PCR)技术分析Homeobox转录因子家族在病菌不同发育时期的表达模式。【结果】在玉米大斑病菌中鉴定了8个Homeobox转录因子家族成员(St HTF1-8),根据基因结构及系统进化特征将其分为4类;亚细胞定位预测分析表明,这8个蛋白全部定位在细胞核中;该家族成员均含有HOX保守结构域,其二级结构具有特征性的"螺旋-转角-螺旋"(helix-turn-helix)结构;利用q RT-PCR技术对该家族成员在菌丝、分生孢子形成、芽管形成、附着胞及侵入丝形成等5个时期的表达规律分析,发现不同基因在病菌不同发育时期具有不同的表达水平,其中St HTF1在菌丝发育、分生孢子及附着胞形成等3个时期的表达水平相对较高,St HTF3、St HTF4在分生孢子形成时期表达水平最高,St HTF6在芽管形成时期的表达水平最高,St HTF2、St HTF5、St HTF7和St HTF8在附着胞形成时期的表达水平均较高。【结论】玉米大斑病菌包括Homeobox转录因子家族包含8个成员,在进化上分为4大类,全部成员均分布在细胞核内,其编码蛋白质均含有保守的HOX结构域及"螺旋-转角-螺旋"空间结构;该基因家族成员在病菌不同发育时期呈现不同的表达规律。     

苹果LIM基因家族生物信息学及表达分析

【目的】在苹果全基因组中鉴定LIM,通过分析启动子作用元件、保守结构域、基因聚类、基因结构、染色体定位以及组织表达模式,为研究和利用苹果LIM奠定基础。【方法】利用苹果基因组数据库GDR和PLAZA,获得苹果LIM家族成员并进行编号。苹果LIM蛋白氨基酸序列的基本信息通过ExPASy Proteomics Server进行预测,利用Cell-PLoc进行亚细胞定位预测,利用CD-Search Tool进行LIM结构域分析,采用MEGA 7软件构建进化树,采用GSDS绘制基因结构,并利用TBtools软件对鉴定得到的MdLIM进行染色体定位,通过实时荧光定量RT-PCR对MdLIM的组织表达进行分析,并利用SPSS 18.0软件分析差异显著性。【结果】共鉴定得到11个苹果LIM家族成员,这些MdLIM蛋白包含96—222个不等的氨基酸残基,等电点分布在6.14—9.01。亚细胞定位结果显示,MdLIM蛋白在细胞核中均有分布。启动子作用元件分析表明,11个MdLIM启动子上分布有响应激素、环境适应性和逆境诱导的元件。蛋白保守结构域分析表明,11个MdLIM蛋白中除MdLIM8具有单LIM结构域外,其余10个均具有双LIM结构域。根据聚类分析结果可将MdLIM分为4组。染色体定位结果显示,MdLIM分布在苹果17条染色体中的7条,且MdLIM在7条染色体上的分布不均匀。花、叶、果皮和茎中的实时荧光定量RT-PCR结果显示,4个组织中均能检测到MdLIM的表达,且表达量具有一定差异。【结论】苹果LIM基因家族包括11个成员,进化上可分为4组,11个基因分布于7条染色体上,在不同组织中的表达具有多样性和特异性。     

The genome of black cottonwood, Populus trichocarpa (Torr. & Gray)

We report the draft genome of the black cottonwood tree, Populus trichocarpa. Integration of shotgun sequence assembly with genetic mapping enabled chromosome-scale reconstruction of the genome. More than 45,000 putative protein-coding genes were identified. Analysis of the assembled genome revealed a whole-genome duplication event; about 8000 pairs of duplicated genes from that event survived in the Populus genome. A second, older duplication event is indistinguishably coincident with the divergence of the Populus and Arabidopsis lineages. Nucleotide substitution, tandem gene duplication, and gross chromosomal rearrangement appear to proceed substantially more slowly in Populus than in Arabidopsis. Populus has more protein-coding genes than Arabidopsis, ranging on average from 1.4 to 1.6 putative Populus homologs for each Arabidopsis gene. However, the relative frequency of protein domains in the two genomes is similar. Overrepresented exceptions in Populus include genes associated with lignocellulosic wall biosynthesis, meristem development, disease resistance, and metabolite transport.     

Bioinformatics and Expression Analysis of the LIM Gene Family in Apple

【Objective】 In order to lay a basis for the further functional research and application of MdLIM genes, this study were carried out to analyze the bioinformatics (e.g promoter action element, conserved domain, gene clustering, gene structure, chromosome localization) and expression of the LIM gene family in apple. 【Method】Based on the apple genome database GDR and PLAZA, the members of LIM gene were identified. The MdLIM amino acid sequence prediction, subcellular localization prediction, LIM domain analysis, and phylogenetic tree the gene structure were completed by ExPASy Proteomics Server, Cell-PLoc, CD-Search Tool, MEGA7, and GSDS, respectively. In addition, the expression pattern of MdLIM genes in different tissues and in peels with different degree of fruit russeting in samples was analyzed by real-time qRT-PCR.【Result】A total of eleven MdLIM genes were identified from apple genome. These MdLIM proteins contained 96-222 amino acid residues with isoelectric points ranging from 6.14 to 9.01. The results of subcellular localization showed that the apple LIM proteins were distributed in the nucleus. Analysis of promoter showed these 11 MdLIM genes contained cis-acting elements related to hormone responses, environmental adaptability and adversity induction. Conserved domains showed that ten MdLIM proteins had double LIM domains except MdLIM8. According to the phylogeny relationship, MdLIM genes were divided into four categories. The expression patterns of the 11 MdLIM genes in flowers, leaves, fruit peels and stems were determined by real-time RT-PCR, and the results showed that their diverse and specific expression could be detected in all of the four tissues, suggesting that they might play different roles in different tissues. 【Conclusion】Eleven MdLIM genes were identified from the whole genome of apple, and they could be divided into four groups, and distributed on 7 chromosomes with diverse and specific tissues expression patterns.     

中国"以工补农"政策的地区适用性初探

当前中国经济发展总体上已经进入了工业化中期阶段,具备了工业反哺农业的条件和能力。但并不意味着全国各个地区都进入了工业化中期阶段,统一的"以工补农"模式和政策在全国各个地区也不一定都适用。运用钱纳里和赛尔昆等设计的标准模型,分析了2005年中国不同地区的经济发展水平。结果表明:仍有皖、豫、湘、桂、琼、黔、滇、藏、甘九省区与全国进入工业化中期阶段的总体判断不符;而京、津、沪、苏、浙五省市则明显超越全国平均水平,已基本进入大规模反哺期。需要针对区域的工业化进程分类研究其工农关系和"以工补农"政策措施。因此,判断中国区域工业化进程发展阶段,研究"以工补农"政策的地区适用性和对策,将为中国"以工补农"政策的科学制定提供有益的参考。     

网络分析在原条造材优化设计中的应用

本文利用网络分析技术对原条造材进行了优化设计,原条上的造材决策点作为网络的节点。每一个可能造出的原木作为网络分析中的弧,弧上的值代表每一个原木的价值,从原条大头至小头所累加出最大价值的路径就是该原条最优造材方案。结果表明,网络分析技术应用在原条造材优化设计上是行之有效的,而且比线性规划和动态规划方法更便于应用;利用此方法编制的计算程序,只要输入原木的价格、材长种类、原条的外形尺寸、等级区域,即可优化出原条的造材方案。     

苹果OFP基因家族的全基因组鉴定与非生物逆境表达分析

【目的】从苹果全基因组中鉴定OFP(OVATE family protein)家族蛋白成员,对其进行基因结构特征、组织表达及非生物逆境等系统分析,为研究苹果OFP的潜在功能提供理论基础。【方法】利用生物信息学手段,在苹果基因组数据库中筛选鉴定OFP基因家族成员;利用MEGA5.0软件进行系统进化树分析;通过Map Draw和GSDS等生物信息学工具分析基因结构及染色体定位;根据已有的苹果芯片数据库结果进行OFP基因表达谱分析;利用实时荧光定量PCR技术检测13个Md OFP的组织表达和诱导表达情况。【结果】苹果OFP基因家族包含28个成员,根据系统进化关系将其分为4组,分别包含13、6、4和5个成员;苹果中13条染色体上均有OFP基因分布,其中第12条染色体最多,有6个Md OFP成员,该基因家族的分布具有广泛性;芯片表达谱分析结果表明该类基因家族在花、果实和叶中的表达量较高,q RT-PCR验证结果较一致;经Na Cl和PEG处理后,苹果根部与地上部呈现出不同程度的响应差异,Na Cl处理明显诱导两组织中Md OFP04和Md OFP20的表达,Md OFP01、Md OFP12和Md OFP18的表达在根部与地上部组织则相反;温度胁迫明显影响Md OFPs的表达量,其中Md OFP04和Md OFP17经高温和低温胁迫处理后均明显上调。【结论】苹果OFP基因家族共有28个成员,分布于13条染色体上,该家族成员呈现出不同的组织表达模式和胁迫响应模式。     

番茄LBD基因家族的全基因组序列鉴定及其进化和表达分析

【目的】从番茄全基因组中鉴定LBD基因,并进行基因进化、基因结构、染色体定位以及组织表达和诱导表达分析,为番茄LBD基因的功能研究与利用奠定基础。【方法】利用番茄基因组数据库,通过生物信息学手段,鉴定番茄LBD家族成员;采用MEGA5软件进行系统进化树分析;通过perl程序、MapDRAW及GSDS工具进行基因结构及染色体定位分析;利用已有的番茄芯片数据进行组织表达谱和基因表达响应分析。【结果】系统分析鉴定了 46 个番茄LBD 家族基因,根据基因结构及系统进化分析将其分成class I与class II两类,细分为5个亚家族（Ia、Ib、Ic、Id与II）。基因定位表明,12 条染色体中的 10 条均有LBD 基因,该基因家族的分布具有广泛性。各个发育阶段表达谱的分析结果表明,LBD 家族基因具有不同的组织表达模式,在各个发育时期均有LBD 基因的表达。基因响应分析发现,不同LBD基因响应不同的外界信号。【结论】通过全基因组分析,番茄LBD家族基因包括 46 个成员,在进化上分为两大类,5 个亚家族,分布于 10 条染色体上,组织表达模式及基因响应具有多样性。这些信息为番茄LBD基因家族的功能分析奠定了基础。