BnPIR平臺(tái)? ?華中農(nóng)大供圖

油菜是世界第二大油料作物，也是我國(guó)最重要的油料作物之一。今年初，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)一支科研隊(duì)伍公布了8個(gè)甘藍(lán)型油菜的高質(zhì)量參考基因組。近日，他們?cè)谠醒芯炕A(chǔ)上，通過整合1689份油菜的基因組及重測(cè)序數(shù)據(jù)，構(gòu)建了首個(gè)油菜泛基因組和比較基因組生物信息平臺(tái)BnPIR。

有了這一平臺(tái)，研究人員可以更快捷、更方便地檢索和使用油菜泛基因組相關(guān)資源。為何建設(shè)油菜泛基因組平臺(tái)？這是一個(gè)什么樣的數(shù)據(jù)庫(kù)？油菜相關(guān)的多組學(xué)數(shù)據(jù)研究進(jìn)展情況如何？《中國(guó)科學(xué)報(bào)》對(duì)此進(jìn)行了采訪。

“標(biāo)準(zhǔn)地圖”有盲區(qū)

甘藍(lán)型油菜大約在7500年前由白菜和甘藍(lán)自然雜交形成，是非常“年輕”的多倍體植物。

“多倍體物種，尤其是年輕的多倍體植物中，往往存在大量的非同源染色體重組事件，這些重組事件導(dǎo)致甘藍(lán)型油菜內(nèi)部的遺傳變異非常豐富?！比A中農(nóng)業(yè)大學(xué)生物信息團(tuán)隊(duì)副教授楊慶勇說。

而在過去的幾十年里，為了提高油菜的產(chǎn)量、品質(zhì)及適應(yīng)性等目標(biāo)性狀，國(guó)內(nèi)外油菜遺傳育種科學(xué)家持續(xù)地將白菜、芥菜等種質(zhì)資源中控制重要性狀（如抗性等）的遺傳位點(diǎn)，通過雜交或者遠(yuǎn)緣雜交等手段導(dǎo)入到甘藍(lán)型油菜中，進(jìn)一步豐富了其物種的遺傳多樣性。

“現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)表明，甘藍(lán)型油菜基因組中7成以上基因都存在大的遺傳變異，也就是通常所說的結(jié)構(gòu)變異。換句話說，對(duì)于油菜這樣的年輕多倍體物種，單一參考基因組往往無法很好地包含物種內(nèi)豐富的遺傳變異信息。”楊慶勇進(jìn)一步解釋道。

如何系統(tǒng)挖掘和揭示甘藍(lán)型油菜的遺傳變異？

楊慶勇介紹，傳統(tǒng)的遺傳變異檢測(cè)手段主要通過基因組重測(cè)序，然后將重測(cè)序的讀段比對(duì)到參考基因組，可以稱之為“按圖索異”。這里的圖是指參考基因組（參考基因組作為生命科學(xué)研究中的“標(biāo)準(zhǔn)地圖”），而我們目前使用的“標(biāo)準(zhǔn)地圖”（單一參考基因組）仍然存在大量的“暗區(qū)和盲區(qū)”。

單一參考基因組為重要性狀相關(guān)遺傳位點(diǎn)和基因的挖掘與利用設(shè)置了重重障礙。為了克服這些困難，科學(xué)家提出了通過整合多個(gè)代表性種質(zhì)資源的基因組信息，構(gòu)建泛基因組的研究思路和策略。

首個(gè)油菜泛基因組

甘藍(lán)型油菜是研究植物多倍化和進(jìn)化的模式物種。遺憾的是，甘藍(lán)型油菜一直缺乏專門的基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，研究人員不得不借助蕓薹屬數(shù)據(jù)庫(kù)（BRAD）和其他公共數(shù)據(jù)庫(kù)（Genoscope和Ensembl等）來獲取甘藍(lán)型油菜的基因組數(shù)據(jù)。

“這些數(shù)據(jù)庫(kù)是基于單一品種基因組和注釋，并且缺乏多組學(xué)數(shù)據(jù)和群體變異信息。” 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生物信息團(tuán)隊(duì)教授陳玲玲說。

據(jù)介紹，整合多種個(gè)體的泛基因組可以更加全面的檢測(cè)物種內(nèi)部的遺傳變異，獲得各個(gè)樣本的共有和特有的基因集，結(jié)合不同樣本的表型差異可以為進(jìn)一步挖掘重要的農(nóng)藝性狀基因提供基礎(chǔ)。

2020年1月，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊(duì)與生物信息團(tuán)隊(duì)合作，在《自然—植物》上發(fā)布了8個(gè)甘藍(lán)型油菜種質(zhì)基因組序列，并通過比較基因組分析鑒定了大量SNPs（單堿基多態(tài)性）、PAVs（存在/缺失變異）等變異，構(gòu)建了大小約為1.8Gb泛基因組，包含約15萬個(gè)基因。通過基于PAVs的全基因組關(guān)聯(lián)分析直接鑒定到了與角果長(zhǎng)度、種子重量和開花時(shí)間相關(guān)的結(jié)構(gòu)變異。研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)FLC基因上的PAVs與開花時(shí)間和生態(tài)型分化緊密相關(guān)。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊(duì)教授劉克德介紹，該研究為進(jìn)一步解析甘藍(lán)型油菜的基因組結(jié)構(gòu)和加速遺傳改良提供了資源，泛基因組的建立對(duì)鑒定與重要農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)變異有重要意義。

為了讓油菜遺傳育種研究人員能夠快捷、方便地檢索和使用油菜泛基因組相關(guān)資源，研究人員進(jìn)一步結(jié)合1689份油菜的基因組及重測(cè)序數(shù)據(jù)，構(gòu)建了甘藍(lán)型油菜泛基因組數(shù)據(jù)庫(kù)BnPIR。相關(guān)論文10月17日在線發(fā)表于《植物生物技術(shù)雜志》。

泛基因組數(shù)據(jù)庫(kù)BnPIR

楊慶勇介紹，BnPIR是基于基因信息模塊的綜合平臺(tái)，以泛基因組瀏覽器和多基因組共線性為核心，包含多組學(xué)數(shù)據(jù)和常見的生物信息學(xué)工具。BnPIR包含基因組序列、基因注釋、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、表達(dá)數(shù)據(jù)、PAVs 信息、基因分類，品種信息和常用多組學(xué)工具，并提供快速搜索和可視化的集成。

BnPIR為油菜分子生物學(xué)和育種提供豐富資源，有助于油菜研究人員在泛基因組背景下搜索和可視化其結(jié)果，并為其他物種的泛基因組分析提供有價(jià)值的模板和平臺(tái)。

同時(shí)，研究人員也指出，“目前我們用于構(gòu)建泛基因組的代表性油菜品系僅9個(gè)，未來將收集、組裝和收集更多代表性油菜品系的基因組及其變異信息，整合到BnPIR泛基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中?！?/p>

此外，除了主要聚焦在檢索變異層面的BnPIR，現(xiàn)在他們還已完成了基于圖形結(jié)構(gòu)泛基因組的構(gòu)建，并應(yīng)用這個(gè)新構(gòu)建的泛基因組進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析及進(jìn)化分析等研究工作。

當(dāng)前，我國(guó)科學(xué)家在十字花科作物育種領(lǐng)域發(fā)表外文論文總量排名世界第一，并且產(chǎn)生了大量?jī)?yōu)良的遺傳材料，以及基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組等多組學(xué)數(shù)據(jù)。如何實(shí)現(xiàn)多組學(xué)數(shù)據(jù)復(fù)用和共享，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成知識(shí)、專利、品種及生產(chǎn)力，一直是科研人員思考和努力的方向。

“泛基因組數(shù)據(jù)庫(kù)僅僅是個(gè)開端，目前我們與國(guó)內(nèi)的多個(gè)油菜研究團(tuán)隊(duì)合作，已經(jīng)完成了油菜泛轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，很快就會(huì)與大家見面。油菜代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)構(gòu)建工作也已開展?！比A中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊(duì)教授郭亮說。

華中農(nóng)大的研究人員希望，未來通過與國(guó)內(nèi)油菜科學(xué)家更加緊密的交流與合作，為油菜遺傳育種提供更加系統(tǒng)全面、準(zhǔn)確高效和友好的數(shù)據(jù)庫(kù)和生物信息平臺(tái)服務(wù)工作。



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