高粱基因组学研究进展

高粱是世界上主要的谷物作物之一,是越来越重要的生物燃料作物,是恶性杂草约翰逊草的祖先,同时也是很多具有复杂基因组的热带禾本科植物的植物学模型。因此高粱成为植物基因组学研究的主要对象之一。高粱基因组学研究的丰富历史随着重要的自交系材料BTx623全基因组测序的完成而达到顶峰,这为更好研究高粱基因及其相关功能打下了基础。对甘蔗亚族谷类植物以外的植物的更进一步的基因组特征分析,将有利于发现基因组大小和结构进化的机制,水平和模式,为进一步研究甘蔗和其它重要的经济作物奠定基础。     

基因组学在作物抗逆性研究中的新进展

自然环境中各种生物和非生物胁迫是影响作物产量的巨大威胁。随着现代分子生物学的发展,从分子水平研究作物抵御逆境的机理已成为生态农业研究的一个重要任务,分子遗传学与生态学的整合诞生了生态基因组学即用基因组学的技术和手段研究生态学领域的问题。基因组学按其研究内容分为功能基因组学、结构基因组学和比较基因组学,本文从这3方面分别阐述了作物抵抗生物胁迫和非生物胁迫的生态基因组学研究进展,总结了基因组学在植物抗逆性研究中的一些新技术和新手段,特别是基于近几年发展起来的二代深度测序所带来的一系列高通量的检测方法与结果。①功能基因组学包含转录组学、表观遗传学、蛋白组学、相互作用组学、代谢组学和表型组学,本文侧重从植物抗逆的功能基因表达水平上的研究展开,重点探讨了转录组学和表观遗传学在植物抗逆研究的新进展,介绍了一些转录组学和表观遗传学研究技术,如基因芯片技术、RNA测序技术、SAGE、cDNA-AFLP、SSH、亚硫酸盐法、ChIP-Chip、ChIP-seq等;例举了一些转录因子基因家族在植物抗逆反应中的作用,总结其作用共性,结果表明不少抗逆基因受到胁迫后基因转录激活上有一定相关性,大多受激素信号转导途径所调控,很多抗逆途径最终都涉及到ABA信号传导通路并与衰老相关;植物的抗逆性受多个信号通路调控,对同一逆境响应常常需要不同的转录因子共同参与,而同一转录因子也有可能参与2个以上的不同抗逆反应;表观遗传学则指在不改变基因序列前提下,对DNA甲基化修饰、组蛋白翻译后修饰及小RNA介导的信号传导等,有证据表明其存在遗传印记作用。②结构基因组学主要利用QTL定位和DNA测序技术,确定植物基因组的遗传图谱和物理图谱,二代深度测序平台的建立使许多植物的全基因组测序成为可能。迄今为止,已有超过40种植物完成全基因组测序,越来越多的植物全基因组计划正在实施中或预计实施。③比较基因组学是基于功能基因组学和结构基因组学进而比较不同物种或不同群体间的基因组差异和相关性的研究,可分析逆境响应相关基因在进化过程中及在地理位置分布中的作用和意义,也同时为QTL定位及功能基因组学研究提供丰富信息。此外,还简要介绍并列举了一些网络共享作物抗逆的生物信息资源数据库。虽然基因组学在如何正确处理海量数据等问题上还存在瓶颈,但它提供的大量作物抗逆方面的基因组信息已为植物抗逆研究提供了众多线索与依据,为今后改良作物抗逆性的遗传育种工作带来了新启示。     

芸薹属物种基因组进化及比较基因组学研究进展

本文就芸薹属物种的分类与亲缘关系,芸薹属物种中A、B和C基因组进化及遗传关系,芸薹属各物种之间及其与拟南芥的比较基因组学,以及比较基因组定位在芸薹属作物重要农艺性状分析中的应用方面的研究进展进行了详细阐述,并对芸薹属作物基因信息资源利用和分子育种改良等方面的研究进行了展望。     

粘细菌纤维堆囊菌的基因组学研究现状

纤维堆囊菌（S.cellulosum）属于粘细菌中的堆囊菌属,它们能产生丰富的次级代谢产物,而且是目前基因组最大的原核生物,现已测序的S.cellulosum So ce56和So 0157-2分别拥有13.03 Mb和14.78 Mb的环状染色体。本文阐述了这两株纤维堆囊菌在序列的组装验证和基因组的分析注释等方面的完成情况,以及人们在测序的基础上,对其展开的结构基因组学、比较基因组学和功能基因组学的研究。通过介绍这两株已测序纤维堆囊菌的基因组学研究现状,我们总结了从纤维堆囊菌的全基因组序列中挖掘遗传信息的方法,为发现纤维堆囊菌中新的功能基因提供一些参考。     

全基因组测序(WGS)在畜禽群体进化和功能基因挖掘中的应用

全基因组测序(whole genome sequencing,WGS)是指通过高通量测序技术对物种个体或群体的基因组进行测序,并通过生物信息学技术对序列特征进行分析,以在全基因组水平探究物种的进化规律和筛选功能基因,主要包括从头测序(de novo)和重测序(re-sequencing).WGS具有信息全面、精确、高效等优点,尤其能对未知基因和未知结构变异进行高效探索,随着高通量测序技术的发展,WGS成本快速降低,使其迅速超越传统策略,成为当前群体进化分析和功能基因挖掘的最主要研究策略,并在畜禽中得到广泛应用.目前已经对鸡(Gallus gallus)、猪(Sus scrofa)、牛(Bos taurus)、绵羊(Ovis aries)、山羊(Caprahircus)、马(Equus caballus)、鸭(Anas platyrhynchos)和狗(Canis lupus)等畜禽进行了大量WGS研究,探究了畜禽进化规律,并挖掘出许多关键功能基因.此外,WGS在未来畜禽泛基因组的构建和全基因组选择育种中也将有广泛的应用.本文主要对WGS的特征和发展进行了介绍,概述和讨论了其在畜禽群体进化和功能基因挖掘中的应用,并简述了其关键要点和应用前景,以期为WGS在畜禽中得到进一步的应用提供理论参考.     

美国科学家创建甘薯基因组学工具包以辅助甘薯新品种研究

位于密西西比州的美国农业研究服务中心的计算分子生物学家发起一个项目——建立基因组学工具包以辅助植物育种者开发甘薯新品种。Brian Scheffler和他的同事们使用其研究机构用于基因组学和生物信息学研究的先进基础设施在甘薯上找到90个染色体标记。     

最新研究结果证明水稻起源于中国

物种的驯化是一个长期而复杂的过程,它受到物种自身遗传变异和人为选择等多方面因素的影响。亚洲水稻(Oryzasativa)作为目前世界上最重要的粮食作物之一,其起源问题在学术界一直备受争论。最近,来自纽约大学基因组学和系统生物学中心     

RNA沉默及其在基因功能研究中的应用

摘要: RNA沉默现象普遍存在于真核生物中，近年来对其作用机理的研究取得了很大的进展，发现并鉴定了一些参与该过程的蛋白和核酸分子。RNA沉默能够抵御病毒和转座子对基因组中重要基因的破坏。RNA沉默技术已经成为功能基因组学研究的重要手段之一。     

印度完成斑马鱼的全基因组测序

印度基因组学与整合生物学研究所（IGIB）科学家利用超级计算机完成了野生斑马鱼的全基因组测序拼装工作,这一成就标志着印度进入动物全基因组测序的领域。科学家们还启动了一个名为“Kaurava”项目,试图通过100条单亲野生斑马鱼子代研究斑马鱼来研究其中的自然变异。     

杂草基因组学研究进展及策略

本文分析了杂草的特异性和基因组特点,列出杂草基因组学研究的候选模式杂草植物种.论述了分子作图、比较基因组学、RNAi、TILLING、T-DNA插入突变和基因芯片等技术在杂草基因组学研究中的应用现状,以期全面认识和解析控制杂草特异性状的遗传基础和调控机理.重点阐述了杂草基因组学研究进展及加快杂草基因组学研究的技术策略,指出开展杂草基因组学的研究有利于建立科学控制杂草技术体系,改良作物产量和品质,从而提高农业的可持续生产力.     

TILLING技术的原理、特点及其在点突变筛选中的应用

TILLING(TargetingInducedLocalLesionsINGenomes),是一种全新的反向遗传学研究方法,它提供了一种高通量、低成本规模化高效筛选化学诱变剂EMS诱发产生点突变的技术。本文简要介绍了TILLING的原理和技术优势,并对其在植物功能基因组学、突变分子育种和预测突变频率中的应用作了初步探讨。     

基因组序列界定标准的建立

1996年,来自世界基因组测序中心的主要研究人员在美国加州沃尔纳特克里克百慕达群岛的会议中将一个完整的基因组序列界定为:一个错误率为一万个碱基中只有一个或者少于一个错误的没有间隙的序列。这有效地设定了人类基因组序列的质量标准,并很快用于其它基因组测序中。如果一个基因组序列并没有满足这一严格的标准,它只会被认为是"草图"。     

不同鳞翅目昆虫细胞色素P450基因(CYPs)的比较基因组学分析

细胞色素P450(cytochrome P450,CYP)涉及许多昆虫生理功能,包括对信号分子的代谢、宿主植物的适应性及杀虫剂的抗性等.鳞翅目(Lepidoptera)昆虫的种类仅次于鞘翅目(Coleoptera),包含了大量的农业害虫.根据鳞翅目烟草天蛾(Manduca sexta L.)的基因组数据,开展CYPs的全基因组学分析,在该基因组中发现了110个可能的CYPs,可分为29个家族,其中有大量CYPs以串联重复形式排列.将分析所得序列与蝶类昆虫黑脉金斑蝶(Danaus plexippus L.)和模式昆虫家蚕(Bombyx mori L.)的CYPs进行比较基因组学分析,结果表明,在CYP2与线粒体集团(clan)中存在12对CYPs直向同源基因,而CYP3与CYP4集团的CYPs呈现种属特异性扩增趋势.通过比较分析鳞翅目昆虫与其他非鳞翅目昆虫的CYPs发现,鳞翅目昆虫之间不仅存在更多的直向同源基因对,而且鉴别出的直向同源基因群也更多,但出现新的家族与亚家族数量相对较少.不同鳞翅目昆虫基因组中的CYPs存在相当广泛的线性保守现象.这些不同昆虫间的比较基因组学分析将促进鳞翅目昆虫CYPs的研究,也有助于害虫治理新靶标的选择.     

PCR-SSCP技术与比较基因组学结合定位棉花Li1基因

聚合酶链式反应-单链构象多态性(polymerase chain reaction-single strand conformation polymorphism,PCR-SSCP)作为一种能检测基因组间DNA碱基微小差异的技术手段,具有操作简便、快捷且灵敏度高等优点.比较基因组学近年来已经成为研究生物基因组的最主要手段之一;大量基因组序列的产生为通过比较基因组学开发新标记和定位目标基因提供了大量的DNA序列资源.本研究以李氏超短纤维突变体(Ligon lintless-1,Li1)为材料,定位Li1基因,针对PCR扩增产物片段较大的样品(＞400bp)进行PCR-SSCP技术的优化,用己发表的拟南芥(Arabidopsis thaliana)和棉花(Gossypium spp.)D基因组DNA序列为参考,探索PCR-SSCP技术与比较基因组学结合开发新标记应用于棉花基因定位的可能性.结果表明,电压为150V,胶浓度为10％,电泳温度为4℃时电泳结果最好;上样缓冲液与PCR扩增目的片段比例为5∶1为最佳比例.利用上述优化的PCR-SSCP技术将根据棉花与拟南芥同线性区段开发的分子标记构建了一个由28个标记组成的长度为149.6 cM的遗传图,该区域包含4个功能上与Li1位点密切相关的基因.此外,利用D基因组序列开发的标记构建了一个由17个SSCP标记和Li1位点组成,跨越40.3cM的遗传图谱,距其最近的两端标记W058和P095分别为0.6和0.3 cM.本研究为棉花Li1基因的精细定位及其候选基因的克隆提供了理论基础.     

番茄KNOX基因家族鉴定及茄科作物KNOX基因进化关系分析

为了探明番茄KNOX基因家族特征及茄科作物中KNOX的进化关系,利用生物信息学方法,在全基因组水平上对番茄及其它茄科作物KNOX基因家族成员进行鉴定和分析。结果表明,番茄基因组中共含有8个KNOX基因(Sl KNOX1~Sl KNOX8),分别分布在番茄8条染色体上;多序列比对发现,除Sl KNOX5外,所有基因均含有同源异型盒蛋白特有的4种结构域,即KNOX1、KNOX2、ELK和Homeobox KN。利用系统发育树将茄科作物KNOX基因分为2类:ClassⅠ和ClassⅡ。茄科作物KNOX基因与拟南芥同源基因可能经历了不同的进化历程,在茄科作物中,特有的进化分支(Class I C)已经出现。qRTPCR分析发现,番茄Sl KNOX1在花蕾和花中具有较高表达,在果实生长发育过程中表达量逐渐降低,Sl KNOX2~Sl KNOX4在果实生长发育过程中几乎不表达,Sl KNOX6和Sl KNOX7在所测组织中均有表达,Sl KNOX8在果实成熟过程中表达量逐渐增加,且在根中表达量最大。本研究在全基因组水平上揭示了番茄中KNOX基因家族特征以及茄科作物中KNOX基因的系统发育关系,为进一步揭示KNOX基因家族在番茄组织器官中的功能及进化模式奠定了基础。     

土壤宏基因组学研究方法与进展

土壤微生物驱动着土壤中的物质循环和养分转化。在土壤学的研究中,长期将土壤作为一个黑箱系统来对待,对其中的生物组成及其参与的生化过程知之甚少。土壤中绝大部分微生物目前尚难以分离培养,因此基于传统的培养方法对于认识土壤微生物群落组成和功能有其局限性。宏基因组学直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,或通过测序探究环境中微生物的群落结构和功能(序列驱动),或构建宏基因组文库,筛选新的基因或生物活性物质(功能驱动),克服了传统培养方法的缺陷,极大地丰富了对土壤微生物多样性及其功能的认知。本文在综述土壤宏基因组学研究基本流程的基础上,重点介绍了日益重要的第二代测序平台在土壤宏基因组学研究中的应用及其产生的海量数据的分析处理方法,并简要探讨了宏基因组学在土壤微生物生态学中的应用。最后,作者建议在国家层面上展开相关土壤宏基因组学研究,调查微生物群落及其变化,为生物资源开发、农业生产和环境保护作出应有的贡献。     

辣椒CDPK基因家族的鉴定、进化与表达分析

钙依赖性蛋白激酶(CDPK)在植物细胞钙信号转导中起重要作用。为筛选鉴定辣椒CDPK基因家族,探讨其基因功能及进化模式,本研究利用生物信息学方法,在辣椒品种遵辣1号基因组中对其进行系统鉴定分析;同时,与辣椒品种CM334基因组进行比较分析。结果表明,遵辣1号基因组中共鉴定获得30个CDPK基因,分布在11条染色体上,命名为CaCDPK01~CaCDPK30。其中,有6对CaCDPK基因发生了片段复制。辣椒CDPK基因家族可分为4个亚族,亚族间基因数目及结构差异较大,Ⅳ亚族最保守。CaCDPKs在辣椒不同组织及成熟的不同阶段中具有表达特异性,部分基因对之间表达趋势相关性较高。在2个辣椒品种中,CDPK基因也发生了明显分化。本研究为深入解析CaCDPKs基因功能及进化模式奠定了重要的理论基础。     

砀山酥梨细胞色素P450的基因组学分析

细胞色素P450在植物的苯丙烷类、生物碱和萜类等生物合成中起着非常重要的作用。为了更好地了解砀山酥梨中P450的种类和数量,利用砀山酥梨基因组的氨基酸和c DNA数据库对P450基因进行筛选,分析砀山酥梨全基因组中P450基因的种类、进化关系、基因的物理定位、以及二级结构元件。结果显示,在砀山酥梨基因组中发现并初步确定了226个P450基因,通过基因的定位分析确定了226个基因分布在17条染色体上,其中除了4、5、9号染色体上无基因簇分布外,其他的染色体都有基因簇的分布。通过基因结构和进化树之间的比较,进一步确定了基因结构和进化之间的相互联系。二级结构的分析表明,砀山酥梨P450蛋白序列同样具有P450蛋白特征性结构域。本研究结果为砀山酥梨P450基因功能的深入分析奠定了基础。     

12个物种miR-302基因簇的生物信息学分析

很多microRNA（miRNA）基因在基因组上聚集排列形成miRNA基因簇。miRNA基因簇在进化上较为保守,有其特殊的生物学意义。miR-302基因簇在胚胎干细胞中特异表达,对胚胎干细胞的自我更新和多潜能维持有重要的作用。本文采用miRBase数据库查询和BLAST同源搜索方法共搜寻并分析了12个物种的miR-302基因簇。生物信息学分析表明,这些物种miR-302基因簇均位于LARP7蛋白基因的内含子区,但转录方向与LARP7基因转录方向相反。序列相似性分析显示,同一物种miR-302簇成员间以及不同物种相应miR-302簇成员间相似性均较高。进化分析表明,基因复制可能是miR-302基因簇进化的主要驱动力。     

穴居人基因组完成草图测序

一个38000年前的穴居人全基因组被来自德国的科学家进行了测序。这个研究小组已经在提取其他穴居人骨头中的DNA,并希望这些穴居人的基因组可以和现在人类的基因组进行前所未有的比较,因为从进