火炬松基因组测序完成

【字体: 时间:2014年03月24日 来源:生物通

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  目前,由加州大学戴维斯分校的科学家带领的一个研究小组,完成了火炬松庞大基因组的测序工作。相关研究结果发表在2014年3月刊的《Genetics》和《Genome Biology》杂志。火炬松的基因组,大约是人类基因组的七倍,是目前已完成测序的最大基因组,也是发表过的最完整的针叶树基因组序列。

  

生物通报道:火炬松(Pinus taeda)原产美国东南部,为美国南方松中最重要的速生针叶用材树种。我国早期引种为30年代初,扩大引种、试验示范为60年代初期,80年代中期则广泛栽植。由于它生长迅速、适应性广,能作为生产用材及纸浆材,还能提供优质松脂,现已成为我国广大地区的重要工业用材造林树种。目前,由加州大学戴维斯分校的科学家带领的一个研究小组,完成了火炬松庞大基因组的测序工作。

火炬松的基因组,大约是人类基因组的七倍,是目前已完成测序的最大基因组,也是发表过的最完整的针叶树基因组序列。研究人员首次使用一种更快和更有效的分析过程,完成了火炬松的基因组测序工作。相关研究结果发表在2014年3月刊的《Genetics》和《Genome Biology》杂志。

这些基因组序列将帮助科学家们培育出改良品种的火炬松,目前该树种也正被开发成一种生物燃料原料。新测定的火炬松基因组,也让我们能够更好地理解植物的进化和多样性。

加州大学戴维斯分校的植物科学教授David Neale带领了这项火炬松基因组项目,同时也是两篇论文的作者之一。他指出:“这是一个庞大的基因组。但是我们面临的挑战不仅仅是收集所有的数据序列。问题是,如何将这些序列有序地拼装起来。”

直到最近,火炬松基因组的庞大规模,还是测序工作的一个障碍,为此,研究小组使用了一种新的方法,这种方法可以通过将原始数据压缩100倍,加快了基因组的拼装速度。

现代的基因组测序方法,使读取DNA中的单个“字母”变得相当容易,但只能是短的片段。在火炬松这个案例中,必须将160亿个独立的片段拼装到一起,这是被称为基因组拼装的一个计算难题。推荐阅读:Nature Biotechnology报道最新基因组组装方法

火炬松基因组拼装小组的带头人、两篇论文的的作者之一、美国霍普金斯大学医学和生物统计学教授Steven Salzberg指出:“我们能够拼装人类基因组,但那已经接近于我们能力的最大限度,人类基因组的七倍真的是太大了。”

解决这个问题的关键是,使用由马里兰大学研究人员开发的一种新方法,该方法可以预处理序列数据,消除冗余数据,产生100倍以下的序列数据。这是首次在这项研究中测试此方法,与去年报道的另外两种针叶树基因组拼装相比,研究小组能够利用这种方法拼装一个更完整的基因组序列。

Neale表示:“我们拼装的连续序列片段大小,比以前发表的基因组序列大小高一个数量级。”他指出,现在火炬松为我们提供了一个高质量的“参考”基因组,会大大加快未来的针叶树基因组项目。

火炬松基因组研究,是以一种开放的方式开展,即使在基因组测序完成和发表之前,都能使研究人员从中受益。在整个项目进行过程中,数据都可免费使用,从2012年6月开始有三次数据公开发行。

新的测序结果表明,82%的火炬松基因组是由外来DNA片段和其它拷贝自身基因组的DNA片段组成。基因组测序也对一些抗病基因进行了定位,这有助于科学家了解更多的松树抗病性。例如,南部森林服务森林遗传研究所(Forest Service Southern Institute for Forest Genetics)的研究人员发现了一个重要的梭状锈病候选基因,这种病害对南方松最具破坏性。从分子水平理解植物的遗传抗性,对森林管理人员来说是一个宝贵工具,因为他们能够选择将会保持健康状态的树木。

该研究所的项目负责人Dana Nelson称:“我们科学家进行的梭状锈病基因定位,是这个项目的一部分,为林场管理人员提供了重要的信息,每年种植的超过5亿棵火炬松幼苗,都携带这些抗性基因。研究小组之所以选择火炬松进行基因组测序,是因为研究机构对于火炬松复杂性状(如抗病性)的遗传学研究,具有相对长的历史。”

美国农业部国家食品与农业研究所资助了这项研究,该研究所所长Sonny Ramaswamy指出,火炬松在美国森林系统中起着重要的作用。Ramaswamy说:“现在我们已经解开了火炬松的遗传学秘密,它的作用可能更加的重要,因为我们想寻求新的生物质来源,驱动我国的生物经济,并寻求增加碳固定和减缓气候变化的方法。”

该火炬松基因组项目是由加州大学戴维斯分校小组带领,基因组拼装工作是由约翰霍普金斯大学和马里兰大学带领。其他合作机构包括印第安大学、德克萨斯农工大学、奥兰克儿童医院研究所和华盛顿州立大学。(生物通:王英)

生物通推荐原文:
Aleksey Zimin, Kristian A. Stevens, Marc W. Crepeau, Ann Holtz-Morris et al. Sequencing and Assembly of the 22-Gb Loblolly Pine Genome. Genetics March 1, 2014 vol. 196 no. 3 875-890.

David B Neale, Jill L Wegrzyn, Kristian A Stevens, Aleksey V Zimin et al. Decoding the massive genome of loblolly pine using haploid DNA and novel assembly strategies. Genome Biology, 20 March 2014, 15:R59. doi:10.1186/gb-2014-15-3-r59.

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