中科院高端人才开发植物DNA短序列测序新技术

　　

生物通报道，版纳植物园生态进化组的Cannon教授和其组员发明了一种新的研究方法，该方法不用事先组装，通过分析检测数据中达到某种“复杂度”的基因片段是否存在及其出现频次，来探讨一定数量目标基因组中的序列差异。该研究成果文章Assembly free comparative genomics of short-read sequence data discovers the needles in the haystack发表在分子生态学领域顶级刊物《Molecular Ecology》上。

 

文章通讯作者是Cannon教授，早年毕业于哈佛大学，现为版纳植物园全职研究员（2007年7月开始），博士生导师，长期在东南亚热带地区从事森林生态学研究，2009年纳入云南省高端人才计划。

 

在以往的研究中，针对短测序片段（short read sequence,SRS）进行的比较基因组分析多数都需有事先组装好的DNA序列作为参照，这一定程度上制约了这类数据在生物信息学研究的发展。

 

Cannon教授等的研究比较九个树种从种群到科一级的基因组多样性的海量数据，并利用已知的3个树种的基因组数据作为对照，探知测序反应中数据的质量和分布偏差。

 

该方法定义了3类主要的富含生物信息的复杂DNA片段，其中每一类都具有其特殊的统计属性。第一类复杂片段为某一基因组所特有但假阳性的概率很高，高度依赖于测序覆盖度和分布情况；第二类复杂片段为两个基因组所共有并能显示其潜在的拷贝数差异；第三类复杂片段为某一些基因组所共有，与物种的形态和地理差异相联系。由于该方法不需事先组装，即可分析海量数据，极大的推进了短序列测序技术在非模式生物上的应用，并为更为进一步的基因组装和细致研究直接筛选出最有效的遗传部件提供新的途径。该研究中也展示了该技术的实际应用前景，例如，我们可为一种濒危木材树种找到大量的种群水平上的遗传标记，从而可以界定木材个体的来源，规范国际木材交易。

 

新一代DNA测序技术的突破为研究热带森林的生态和进化提供了一个新的平台，Cannon教授等的研究是版纳植物园为把基因组学应用在植物功能适应进化与气候变化、物种多样化和共存、以及极度濒危的亚洲热带森林自然资源保护诸方面所迈出的重要一步。

 

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生物通推荐原文检索

Assembly free comparative genomics of short-read sequence data discovers the needles in the haystack

CHARLES H. CANNON*†, CHAI-SHIAN KUA*, D. ZHANG* and J.R. HARTING†

  *Ecological Evolution Group, Xishuangbanna Tropical Botanic Garden, Chinese Academy of Sciences, Menglun, Mengla 666303, China ,   †Department of Biological Sciences, Texas Tech University, Lubbock, TX 79409, USA

【Abstract】

Most comparative genomic analyses of short-read sequence (SRS) data rely upon the prior assembly of a reference sequence. Here, we present an assembly free analysis of SRS data that discovers sequence variants among focal genomes by tabulating the presence and frequency of 'complex' fragments in the data. Using data from nine tree species, we compare genomic diversity from populations to families. As a control, we simulated SRS data for three known plant genomes. The results provide insight into the quality and distributional bias of the sequencing reaction. Three main types of informative complexmers were identified, each possessing unique statistical properties. Type I complexmers are unique to a genome but suffer from a high false positive rate, being highly dependent on read coverage and distribution. Type II complexmers are shared between two genomes and can highlight potential copy-number differences. Type III complexmers are exclusive to a subset of genomes and can be useful for associating genetic differences with phenotypic or geographic variation. At the population level in an endangered timber species, numerous markers were identified that could potentially determine geographic origin of individuals and regulate international trade. We observed that the genomic data for the four fig species were more divergent than for stone oak species, possibly due to their complex pollination syndrome and high rates of gene flow. Our approach greatly enhances the application of SRS technology to the study of non-model organisms and directly identifies the most informative genetic elements for more detailed study and assembly.

 

Cannon研究员壳斗科的比较基因组研究

Cannon研究员与柯彩贤助理研究员参加了十月初在巴塞罗那举行的2009新一代测序技术大会(NGS2009)。会议旨在讨论如何应对新一代测序技术所带来的机遇与挑战。测序技术企业的代表们与学者们相互交流，并热烈讨论了这一新生领域的各类问题，特别是如何计算和处理由此项技术所产生的海量数据。Cannon研究员在会上发表了题为“Comparative Genomics of Tropical Evergreen Fagaceae”（壳斗科的比较基因组研究）的报告，着重介绍了该研究组在西双版纳热带植物园所进行的壳斗科基因组研究工作。柯彩贤助理研究员被邀请主持宏观基因组学分会。同时，两位专家还发表了题为“Using a ‘Framework Species’ Concept for Ecological and Evolutionary Studies in Comparative Genomic” 的学术墙报。

 

Cannon研究员与柯彩贤助理研究员还于十月中旬被邀参加了由中科院基因组所在北京举行的2009国际基因组学大会。Cannon研究员向与会者介绍了将在国际著名学术期刊 Molecular Ecology上正式发表的最新研究成果，Assembly- free comparative genomics: finding the needle in the haystack, 探讨了非组装比较基因组分析的可能性。该报告受到了广泛的好评，更有不少与会者提出了合作意向。

 

生态进化组博士后, Matthew Helmus博士于十月中旬在众多的报名者中脱颖而出，被选拔参加了在意大利博洛尼亚举行的基因组学在生态与保护生物学中的应用培训课程。该培训班的内容包括基因芯片数据的分析，第二代基因组测序技术，SNP芯片分析，以及DNA条形码。Helmus博士在课上也向大家介绍了西双版纳热带植物园和生态进化组的热带基因组研究。多位来自欧美国家的培训班的学员和老师都对版纳植物园的科研工作有了进一步的认识。