基于新一代测序技术的动植物研究科研思路

基于新一代测序技术的动植物研究科研思路动植物研究方向业务线2011.03测序技术发展史第二代测序技术454、Solexa、Solid第一代测序技术Sanger第二代测序技术454、Solexa、Solid第三代测序技术SMRT以高通量、低成本为特征的第二代测序技术从2005年开始相继出现，分别为454、Solexa、Solid。而Illumina公司推出的Solexa测序技术是第二代测序技术的首选。•全基因组测序•重测序•RNA研究•表观基因组研究•蛋白质组研究1998200120022004200620072008200920102000基因组测序的时代已经来临全球基因组测序研究趋势全基因组测序全基因组重测序，发现SNPs,Indels.基因分型蛋白-DNAChIPonSequencingMetagenomicsSEQUENCINGSEQUENCING&SEQUENCINGDNA甲基化基因调控研究mRNA,ncRNA,smallRNA,microRNA,调控RNA基因表达发现基因转录组研究基于基因组学的系统研究带动系统研究挖掘基因资源加速下游产业发展一个物种基因组计划的完成，就意味着这一物种学科和产业发展的新开端。家鸡基因组家蚕基因组水稻基因组人类基因组计划黄瓜基因组熊猫基因组蚂蚁基因组千种动植物基因组我们一直在努力……华大基因组研究发展史第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段我们准备好了……Hiseq2000137台3000G/天超级计算机:102Tflops,10PB1500名生物信息学分析人员100名资深项目专家1500名实验和服务人员125个在线全基因组图谱项目30个完成精细图绘制SOAPdenovo—华大自主研发的短序列组装软件全基因组测序的研究基因组测序分析：不需要任何参考序列对某个物种全基因组测序，并用生物信息学方法进行分析，获得该物种的基因组序列图谱。基因组序列普查基因资源挖掘建立全基因组水平研究平台群基因组测序分析：对科属内多个物种的基因组进行测序，揭示同科或同属内多个个体基因组序列的集合。发现物种差异及种间保守的功能元件理解物种形成和分化的机制积累遗传多样性的知识进一步揭示分子进化机制及其与自然选择的关系不需要任何参考序列即可对某个物种进行测序。研究内容：基因组组装：原始数据统计、覆盖度计算、组装结果统计、GC含量分析；基因注释：重复序列注释、基因结构注释、基因功能注释、非编码RNA注释；进化分析：基因聚类、系统发育分析、全基因组比对（基因组共线性）、大片段复制、保守区域数据库网站的建立测序（WGS）信息分析序列图谱基因组测序分析实验设计RuiqiangLi,WeiFan,etal.Thecompletegenomesequenceofthegiantpanda.Nature,2010,463,311-317中科院动物研究所华大基因案例1—大熊猫基因组研究目的为了全方位地了解珍稀动物-大熊猫，从基因组序列中获得更多的信息。实验设计研究材料：3岁雌熊猫测序策略：Solexa测序73×研究成果1.组装：contigN50：39.8kb;scaffoldN50：1,281kb；基因组大小为2.4G，重复序列含量36%。2.共预测19,303个基因。3.比较基因组学：熊猫的亲缘关系与狗最为接近。4.熊猫TAS1R1基因：TAS1R1基因失活，解释了熊猫不吃肉的原因。5.具有很高的杂合率，从而推断具有较高的遗传多态性，不会濒于灭绝。第二代测序技术具有高准确性，与传统的测序结果基本相同大熊猫基因组与人、狗等基因组进行了共线性分析进化分析案例2—印度跳蚁和弓背蚁的基因组文章华大基因亚利桑那州立大学——蚂蚁成为继蜜蜂后第二种被破译基因组序列的社会性昆虫研究目的破译蚂蚁基因组，利用蚂蚁模型研究昆虫的社会行为及衰老机制。实验设计研究材料：印度跳蚁；佛罗里达弓背蚁测序策略：illumina100Xdenovo拼接研究成果1、证明蚂蚁基因组中存在DNA甲基化调控。2、两个基因组均含有大量CpG。3、发现了与延长寿命的调控有关的酶。4、揭示了microRNA和SMYD组蛋白甲基化酶可能与等级分型有关。BoltonR,ZhangG,etal.GenomiccomparisonoftheantsCamponotusfloridanusandHarpegnathossaltator.Science,2010,329:1068-1071.基因组差异比较非编码区域重复序列：弓背蚁约15%，印度跳蚁约27%。大片段重复（SDs）：弓背蚁为9.6%印度跳蚁为14.8%同心圆从外向里依次是：A基因密度；B共线性关系；C同源物种；D为G+C含量%（0-70）；E转录组（0-100）；F重复度（0-50%）；G为SD识别区（0.8-1.0）；重复序列整体情况基因可变剪切•蚂蚁中大约有27%（弓背蚁）和35%(跳蚁)的基因有不同可变剪切形式。远低于人的95%，接近果蝇中的比例（40%）。•其中与脊椎动物不同的是，蚂蚁中Retained-intron形式的可变剪切占较多数，而且A3SS和A5SS也占相当大的比例。•具有可变剪切的基因多为调控基因。基因家族进化四个膜翅目昆虫（弓背蚁，跳蚁，意大利蜜蜂、金小蜂）均具有大量的特异基因家族。红火蚁阿根廷蚁切叶蚁其他4种蚂蚁基因组文章红色收割蚁17红火蚁蚂蚁种类基因组大小测序方法发表期刊在线发表时间印度跳蚁佛罗里达弓背蚁弓240Mb印330MbIlluminaScience2010-8-27红火蚁352.7MbRoche454IlluminaPNAS2010-12-8红色收割蚁235MbRoche454PNAS2010-12-9阿根廷蚁215.6MbRoche454IlluminaPNAS2011-1-11切叶蚁290MbRoche454PLoSGenetics2011-2-10蚂蚁基因组文章概要研究思路比较19Genomesequenceofthepalaeopolyploidsoybean案例3—栽培大豆与野生大豆基因组测序Whole-genomesequencingandintensiveanalysisoftheundomesticatedsoybean(GlycinesojaSieb.andZucc.)genomedenovo测序PNAS2010-10-29Nature2010-1-14全基因组测序，与栽培大豆比对denovo组装vs栽培大豆野生大豆栽培大豆的基因组研究目的挖掘栽培大豆的基因资源，为大豆的农艺性状改进和分子育种提供重要的基因组信息。实验设计研究材料：栽培大豆测序策略：建库3kb,8kb,fosmid及BAC；Sanger：6.5X研究成果1.组装：contigN50：189.4Kb;scaffoldN50：47.8Mb；锚定染色体上。2.46,430个蛋白编码位点，283个豆科特有基因家族。3.两次基因组复制事件：5900万年前和1300万年前。4.结瘤基因：28个结瘤基因和24个关键调控基因。5.控油基因：脂类代谢相关基因远多于拟南芥，大豆具有更复杂的转录调控。华盛顿大学美国联合基因组研究中心SchmutzJ,CannonSB,etal:Genomesequenceofthepaleopolyploidsoybean.Nature,2010,463:178-183.野生大豆基因组研究目的利用已有大豆基因组序列，研究野生大豆与栽培大豆进化史。实验设计研究材料：野生大豆IT182932植株纯合型。测序策略：454+Solexa序列比对+denovo组装。研究成果1、序列比对得到915.4M的G.soja基因组，覆盖已发表大豆基因组序列的97.65%；2、软件分析发现复制区域占G.soja基因组的80%，鉴定得到2.5millionSNPs；3、在这些SNP中发现35.6%的高可信度基因都是受G.soja基因组的非同义SNPs影响的；4、通过序列比对和软件计算，证明G.soja和G.max基因组在27万年前产生分化，远远早于驯化得到G.max的时间（6000-9000年前）；栽培大豆来自于先于G.soja/G.max复合体存在的祖先。首尔大学韩国生命工学研究院MoonYK,SunghoonL.Whole-genomesequencingandintensiveanalysisoftheundomesticatedsoybean(GlycinesojaSieb.andZucc.)genome.PNAS,2010.107:22032-22037.野生大豆与栽培大豆的进化关系全基因组测序的研究基因组测序分析：不需要任何参考序列对某个物种全基因组测序，并用生物信息学方法进行分析，获得该物种的基因组序列图谱。基因组序列普查基因资源挖掘建立全基因组水平研究平台群基因组测序分析：对科属内多个物种的基因组进行测序，揭示同科或同属内多个个体基因组序列的集合。发现物种差异及种间保守的功能元件理解物种形成和分化的机制积累遗传多样性的知识进一步揭示分子进化机制及其与自然选择的关系群基因组denovo测序揭示同科或同属内多个个体基因组序列的集合。有助于理解分子进化机制及其与自然选择的关系。研究内容：自然选择分析检测新的基因或基因家族检测大片段复制（segmentalduplication，SD）检测近源或亲缘物种之间细微的基因组变异（InDels，复制，反转座子）。群基因组测序分别组装基因组比较分析群基因组测序分析多个灵长类12种果蝇研究目的1、研究果蝇基因和染色体进化，以及其与物种形成、适应的关系；2、发展一套比较基因组学的方法，应用于发现和完善基因组功能原件。实验设计研究材料：12种来自全球各地的果蝇品种；测序策略：Sanger，WGS，已有的果蝇基因组作为辅助参考，进行denovo组装研究成果1、发现了123个新的多顺反子转录本;2、系统地预测了总RNA和ncRNA;3、提供证据表明某些miRNA位点可以产生多种功能产物，预示了miRNA调控机制的多样性与复杂性;4、提供证据表明miRNA作用于外显子区；5、基于果蝇个体高置信度的基序调控事件，绘制了果蝇前转录和后转录调控位点的初级网络。6、为后续的比较基因组学研究提供了参考依据。美国国立人类基因组研究所康奈尔大学案例4—12种果蝇基因组1.EvolutionofgenesandgenomesontheDrosophilahylogeny.Nature,20072.Discoveryoffunctionalelementsin12Drosophilagenomesusingevolutionarysignatures.Nature,2007从寻找外显子、非编码RNA、miRNA、转录因子和miRNA基序等多个角度，发现多重比较策略在比较基因组学研究中效果优于成对比较。•全基因组测序•重测序•RNA研究•表观基因组研究•蛋白质组研究大量物种已测序完成，接下来我们能利用这些丰富的基因组资源做什么？高通量测序技术使得低成本进行基因组重测序成为可能！重测序文章发表情况20002001200220032004200520062007200820092010255075100125全基因组重测序简化基因组目标区域捕获重测序SNP芯片分型重测序研究的主要手段全基因组重测序DNA酶切片段选择高通量测序Reference比对SNP简化基因组重测序有SSL,RAD,GBS等诸多技术可供选择NimbleGen平台SureSelect平台目标区域捕获重测序用户自定义芯片动植物商业化芯片SNP芯片分型重测序研究的运用1.SNP分子标记开发2.遗传图谱构建3.群体遗传学分析4.HapMap构建及GWAS5.突变位点的定位SNP具有密度高，分布均匀的优点。通过对具代表性的个体进行重测序可以快速、高效、低成本的开发大量的SNPs、为遗传图谱构建以及全基因组关联分析提供大量的标记。应用：1SNP分子标记开发2.1有参考基因组，简化基