全基因组的e novo测序（二代／三代）-经典案例-诺禾致源

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全基因组测序

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全基因组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、研究方法及思路

取材

建库

测序

分析

1. 基因组测序：陆地棉遗传标准系TM-1
2. 转录组：160个组织

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

Illumina HiSeq 2000
Sanger测序 BAC-end

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
对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）。

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。