泛基因组学(北京)

泛基因组研究在遗传多样性和功能基因组学中的应用作者：向坤莉贺文闯邹益彭丹张晓妮廖雪竹王杰杨健康武志强来源：《广西植物》2021年第10期摘要：相对于单个参考基因组仅聚焦于个体遗传信息的挖掘，泛基因组研究则能够反映整个物种或类群全部的遗传信息。

随着基因组测序和分析技术的不断发展，泛基因组学逐渐成为新的研究热点，并已在植物、动物和微生物多个物种中获得了广泛应用，为全面解析物种或类群水平的遗传变异和多样性、功能基因组和系统进化重建等研究提供了强有力的工具，取得了很多显著的研究成果。

尽管如此，由于泛基因组学研究尚处于发展阶段，测序费用和分析成本仍然较高，难以广泛普及;且存在分析标准不一、数据挖掘不够全面深入、理论难以应用于生产实际等尚待解决的问题，仍有较大的发展空间。

该文系统总结了泛基因组在生物遗传多样性挖掘和功能基因组学中的研究进展，主要包括其在泛基因组图谱的构建、基因组变异和有利基因的发掘、功能基因的多态性、群体遗传多样性和系统进化等多个领域中的应用和研究，探讨了其在不同领域的应用潜力。

同时，讨论了目前泛基因组研究中存在的局限性和可能的解决方法，并对其将来的发展前景进行了展望。

关键词：泛基因组，结构变异，功能基因，遗传多样性，系统进化中图分类号：Q943.2文献标识码：A文章编号：1000-3142（2021）10-1674-09Abstract：The pan-genome can represent all of the genetic diversities in a species or population，which is a limitation for obtaining only one single reference genome. The pan-genomics is becoming a new hot research area and being widely applicated in researches of many species in plants，animals and microorganisms，as the development of the whole genome sequencing and analysis technology. It provides powerful tools for resolving the genetic variation and polymorphism at levels of species or taxa，researches of functional genomics and reconstruction of phylogenetics，obtaining abundant of significant research achievements. However，present researches on pan-genomics still need to improve due to several problems，e.g.，extensive cost of whole genome sequencing and data analysis，inconsistent analysis standards，lack of deeper and comprehensive explanation of the obtained data，and difficulty of application of the research achievements. We summarized the research progresses of pan-genomes on exploitation of genetic diversity and functional genomics，including construction of a pan-genome map，identification of genome variations and favorable genes，polymorphism of functional genes，population genetic diversity and systematic evolution，and discussed its potential in application of different research fields. Furthermore，we discussed the limitations existed in the present studies and possible solutions，and presented the prospect in the future on pan-genomics.Key words：pan-genome，structural variants，functional gene，genetic diversity，systematic evolution遺传变异是生物进化的内在源泉，因而，研究遗传多样性及其演化规律是生物遗传学及进化生物学研究中的核心问题之一。

植物遗传资源学报2021，22 ( 1): 7-15Journal of Plant Genetic Resources DOI ：10.13430/j .cnki.jpgr.20200528001泛基因组及其在植物功能基因组学研究中的应用赵均良，张少红，刘斌(广东省农业科学院水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室，广州510640 )摘要：参考基因组是现代功能基因组学的核心框架，以此为基础的现代基因组学技术在过去20年对植物遗传变异发掘、功能基因克隆等研究起了巨大的推动作用。

然而，越来越多的研究发现，单一或少数参考基因组不能完整代表和呈现物种或特定群体内的所有基因组变异，因此其在功能基因组学研究中应用存在很大的局限性，甚至会导致错误的结果。

泛基因组是指物种或特定群体内全部基因或基因组序列的总和。

泛基因组通过完整捕获和呈现群体内全部的基因或基因组序列，代替单 一参考基因组应用于功能基因组学研究，可以突破单一参考基因组的局限性。

泛基因组在植物功能基因组学研究中有广泛的应用，以泛基因组为基础，结合最新的基因组学技术可以高效、精准鉴定种质资源中的遗传变异。

泛基因组研究是目前植物基因组学研究的前沿和热点。

本文综述了泛基因组概念的起源和发展,泛基因组组装的技术和策略，以及泛基因组在植物基因组学研究和分子育种方面的应用和最新进展，最后对植物泛基因组研究目前存在的问题和今后研究方向进行了展望。

本综述 可为植物泛基因组研究和应用提供参考。

关键词：泛基因组；种质资源；功能基因组学；遗传变异Research Progress on Pangenome and Its Application inPlant Functional GeneticsZHAO Jun-liang, ZHANG Shao-hong, LIU Bin(Rice research institute, Guangdong Academic o f A gricultural Sciences/Guangdong KeyLaboratory o f N ew Technology in Rice Breeding, Guangzhou 510640 )A bstract： The reference genome provides a fundamental framework in the field of modern functional genomics. Modem genomic techniques based on reference genomes is the driving force for identification of genetic variations and functional gene cloning in the past two decades. However, with the progress of plant genome research, it is becoming visible that single reference genome cannot represent all the genomic variances within a species or a population. This consequence has become one of the limits for the functional genomic studies. Pangenome refers to the full complement of genes/genomic sequences within a population. By capturing and presenting all the genes/genomic sequences within a population, pangenome can be used as reference genome in functional genetic studies, to overcome the limit posed by single reference genome. While implementing in the state-of-art genomic techniques, pangenome can greatly improve the efficiency and precision of identification of genetic variations in plant germplasm, thus becoming one of the frontiers and hotspots in genomic research. In this收稿日期：2020-05-28 修回日期：2020-07-06 网络出版日期：2020-07-31URL ： http://d0i.0rg/l0.13430/ki.jpgr.20200528001第一作者研究方向为水稻功能基因组学,生物信息学，E-mail:*********************通信作者：刘斌，水稻功能基因组学，E-mail:****************基金项目：广东省基础与应用基础研究基金（2020A1515010906 );科技创新战略专项资金（高水平农科院建设)(R2019-JX001 );广东省重点 领域研发计划项目（2018B020202004 ); 2019年省级现代农业科技创新联盟建设共性关键技术创新团队项目（2019KJ106 );广州 市科技计划（201804020078 )Foundation projects：Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation( 2020A1515010906 ), Special Fund for Scientific Innovation Strategy- construction of High Level Academy of Agriculture Science ( R2019-JX001 ), Key Areas Research Projects of GuangdongProvince ( 2018B020202004 ) , Team Project of Guangdong Agricultural Department ( 2019KJ106 ) , Scientific andTechnological Plan of Guangzhou ( 201804020078 )review, we summarized the definition and recent progress in studies of pangenome, the techniques and strategies applied in pangenome assembly and construction, as well as the application of pangenome in plant genomic and molecular breeding. The current problems and future perspectives of plant pangenome were outlined. This review is expected to provide a better understanding and reference for future study and application of plant pangenome.Key words： pangenome； germplasm； functional genomic； genetic variation8 植物遗传资源学报22卷控制重要农艺性状的遗传变异和功能基因是植 物育种和遗传改良的核心物质基础。

基因组学1.基因组学包括那些研究内容？（1）结构基因组学：通过基因组作图、核苷酸序列分析，研究基因组结构，确定基因组成、基因定位的科学基因组测序：⾸先将整个基因组的DNA分解为⼀些⼩⽚段，然后将这些分散的⼩⽚段逐个测序，最后将测序的⼩⽚段按序列组装基因组作图：在长链DNA分⼦的不同位置寻找特征性的分⼦标记，绘制基因组图。

根据分⼦标记可以准确⽆误地将已测序的DNA⼩⽚段锚定到染⾊体的位置上。

（2）功能基因组学：利⽤结构基因组学提供的信息和产物，在基因组系统⽔平上全⾯分析基因功能的科学。

功能基因组学的研究内容：(1)进⼀步识别基因以及基因转录调控信息。

(2)弄清所有基因产物的功能，这是⽬前基因组功能分析的主要层次。

(3)研究基因的表达调控机制，分析基因产物之间的相互作⽤关系，绘制基因调控⽹络图。

（3）⽐较基因组学：研究不同物种之间在基因组结构和功能⽅⾯的亲源关系及其内在联系的学科。

⽐较基因组学的研究内容:：（1）绘制系统进化树，显⽰进化过程中最主要的变化所发⽣的时间及特点。

据此可以追踪物种的起源和分⽀路径。

(2)了解同源基因的功能。

(3)对序列差异性的研究有助于认识产⽣⼤⾃然⽣物多样性的基础。

2.基因组学的历史变⾰与发展趋势？（⼀）1900年代以前:前遗传学时代（1）物种进化的⾃然选择学说——达尔⽂进化论。

（2）1865年G.Mendel发表豌⾖杂交实验结果，提出了遗传学的两⼤遗传规律—分离规律和独⽴分配规律，并认为是⽣物体内的遗传因⼦或遗传颗粒控制⽣物性状（⼆）1900—1950年代:经典遗传学时代标志：1900年,孟德尔遗传规律再发现标志着遗传学的诞⽣）⼈们开始把控制⽣物遗传性状的遗传单称为基因。

⽣命科学的研究基本都是围绕着基因来进⾏。

（三）1950—1990年代:分⼦⽣物学时代（前基因组学时代）标志：Watson & Crick 的DNA 双螺旋结构的发现[《Nature》1953.4.25]，标志着分⼦⽣物学时代的开始 F.Crick根据DNA 的X射线衍射图谱，提出了DNA双螺旋结构模型，解释基因复制的机制，从⽽真正开始从分⼦⽔平上研究⽣命活动。

成功案例
泛基因组包括核心基因组（Core genome）和非必须基因组(Dispensable genome)。

其中，核心基因组由所有样本中都存在的序列组成，一般与物种生
物学功能和主要表型特征相关，反映了物种的稳定性；非必须基因组由仅在单个样本或部分样本中存在的序列组成，一般与物种对特定环境的适应性或特有的
生物学特征相关，反映了物种的特性。

运用高通量测序及生物信息分析手段，针对不同亚种/个体材料进行文库构建及低深度测序，并分别进行组装，可以构建泛基因组图谱，丰富该物种的遗传信息，研究其重要生物学问题。

技术参数
1。

大豆泛基因组研究进展刘羽诚;申妍婷;田志喜【期刊名称】《遗传》【年(卷),期】2024(46)3【摘要】人工驯化为农业发展提供了原始驱动力,也深刻地改变了许多动植物的遗传背景。

伴随组学大数据理论和技术体系的发展,作物基因组研究已迈入泛基因组时代。

借助泛基因组的研究思路,通过多基因组间的比较和整合,能够评估物种遗传信息上界和下界,认知物种的遗传多样性全貌。

此外,将泛基因组与染色体大尺度结构变异、群体高通量测序及多层次组学数据相结合,可以进行更为深入的性状-遗传机制解析。

大豆(Glycine max(L.)Merr.)是重要的粮油经济作物,大豆产能关乎国家粮食安全。

对大豆遗传背景形成、重要农艺性状关键位点的解析,是实现更高效的大豆育种改良的前提。

本文首先对泛基因组学的核心问题进行了阐述,解释了从头组装/比对组装、迭代式组装和图基因组等泛基因组研究策略的演变历程和各自特征;接着对作物泛基因组研究的热点问题进行了概括,并且以大豆为例详细阐释了包括类群选择、泛基因组构建、数据挖掘等方面在内的泛基因组研究的开展思路,着重说明染色体结构变异在大豆演化/驯化历程中的贡献及其在农艺性状遗传基础挖掘上的价值;最后讨论了图泛基因组在数据整合、结构变异计算方面的应用前景。

本文对作物泛基因组未来的发展趋势进行了展望,以期为作物基因组学及数据科学研究提供参考。

【总页数】16页(P183-198)【作者】刘羽诚;申妍婷;田志喜【作者单位】中国科学院遗传与发育生物学研究所;中国科学院大学【正文语种】中文【中图分类】F32【相关文献】1.我国率先构建野生大豆泛基因组2.我国率先构建野生大豆泛基因组3.我国农科院成功构建一年生野生大豆泛基因组4.科研人员绘出大豆图形结构泛基因组5.畜禽泛基因组研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

泛基因组和宏基因组一、泛基因组概念及应用1.定义及特点泛基因组（Pan-genome）是指一个生物物种的全部基因及其变异体的集合，包括编码区和非编码区。

它反映了物种的遗传多样性和进化历程。

泛基因组的特点是物种间基因组成的差异较大，而同一物种内个体间基因组成的差异较小。

2.研究方法泛基因组研究主要采用高通量测序技术，如全基因组测序、全转录组测序等，结合生物信息学方法进行分析。

研究内容包括基因识别、基因家族分析、基因功能预测等。

3.应用领域泛基因组在生物学、医学等领域具有广泛应用。

例如，通过比较不同物种的泛基因组，可以揭示物种间的进化关系；分析同一物种内不同个体的泛基因组，有助于研究遗传病的发生机制和进行精准医疗。

二、宏基因组概念及应用1.定义及特点宏基因组（Metagenome）是指从环境样品中分离出的全部微生物基因及其变异体的集合。

它反映了微生物群落的结构和功能。

宏基因组的研究对象可以是单一环境中的微生物群落，也可以是多种环境中的微生物群落。

2.研究方法宏基因组研究主要采用高通量测序技术，如Illumina、PacBio等，结合生物信息学方法进行分析。

研究内容包括微生物群落结构分析、功能基因预测、代谢途径重建等。

3.应用领域宏基因组在环境科学、医学、农业等领域具有广泛应用。

例如，通过分析微生物群落的结构和功能，可以揭示环境污染物的降解途径和生态系统的稳定性；研究人体肠道微生物群的宏基因组，有助于了解疾病的发病机制和寻找治疗靶点。

三、两者关系及互补性1.研究范围泛基因组和宏基因组都是研究生物基因及其功能的方法，但研究范围有所不同。

泛基因组关注的是单一物种的全部基因，而宏基因组关注的是环境中微生物群落的基因。

2.技术手段两者在技术手段上有一定的相似性，都采用高通量测序技术进行研究。

但在数据分析方面，泛基因组更注重基因家族和功能基因的分析，而宏基因组更注重微生物群落结构和功能的研究。

3.研究成果与应用泛基因组和宏基因组的研究成果都对生物学、医学等领域具有重要的应用价值。

泛基因组分析泛基因组的分析内容1. 泛基因组特征分析泛基因组分析可以回答三个重要问题，以助于了解物种特性：（1）核心基因组的大小是多少，换句话说就是有多少基因/基因家族在所有个体中都存在；（2）泛基因组的大小是多少，在这些物种里共有多少基因/基因家族；（3）随着每个新个体的加入，将有多少基因/基因家族被加入泛基因组。

同时，泛基因组研究会对核心基因组和可变基因组进行比较，包括：（1）基因特性，比如平均基因长度、外显子数目；（2）SNP 密度、Indel 密度；（3）同义替换率 dS、非同义替换率 dN、非同义替换率与同义替换率比值 dN/dS；（4）基因表达水平；（5）基因功能富集。

2. 全面准确的变异检测泛基因组研究可以得到物种全面且准确的变异信息 (SNP、Indel、CNV、PAV)。

与重测序变异检测相比，泛基因组研究基于基因组序列进行变异分析能够大幅度提高变异检测的准确性，以及大结构变异的检出性。

比如，2019年发表的番茄泛基因组研究中，PAV（presence / absence variations)分析通过统计群体中每个个体的基因组包含哪些基因，对个体基因组进行分型，并进行后续的进化分析。

在群体中各个个体相对差异较大时，使用PAV分析比使用SNP等变异信息来分析更加能够体现群体内部的差异。

而在本研究中，通过对野生、早期栽培和现代栽培的番茄进行PAV比较，可以揭示驯化种植过程中番茄基因组发生变化的过程。

野生番茄品系（SP和SCG）包含的基因显著较多，显示番茄驯化中存在基因丢失过程。

3. 新基因鉴定泛基因组分析能鉴定出参考序列中不存在的基因，对这些新基因进行功能分析也是其研究的焦点。

比如，在2018年水稻泛基因组文章中，研究者鉴定出大量基因不存在于参考基因组“日本晴”，其中一些新基因具有重要的功能，包括抗涝性基因 Sub1A-1, Snorkel-1, Snorkel-2和缺磷耐受性基因Pstol1。

在大规模泛基因组序列数据中进行基因组学研究的策略伴随着高通量测序技术的发展，越来越多的生物样本的基因组序列数据被产生出来，这一趋势在未来也将继续。

这些大规模泛基因组序列数据的产生，为我们研究生物的基因组学提供了更多的研究资源和机会。

因此，在这篇文章中，我们将探讨在大规模泛基因组序列数据中进行基因组学研究的策略。

基因组学研究的背景基因组学研究是研究基因组结构、功能和演化的一门学科，其研究对象是生命体的基因组，是现代生物学、医学、农业和环境科学等领域中的重要学科。

基因组学研究已经涉及到从单细胞到整个生态系统的生物，为涉及到生物基因组的科研工作者提供了非常重要的实验手段。

然而，如何从海量数据中进行基因组学研究依旧是一个巨大的挑战。

下面我们将介绍在大规模泛基因组序列数据中进行基因组学研究的策略。

1. 剖析基因组结构和演化基因组结构和演化是基因组学研究的两个重要方向。

在大规模泛基因组序列数据中，我们可以通过多样的方法来剖析基因组结构和演化，例如比较基因组学、拓扑学、流行病学等。

基因组的比较分析是探究基因组结构、功能和演化的常用方法。

这是通过比较不同物种基因组序列之间的相似性和差异性，探究基因组之间的联系和演化历程。

在大规模泛基因组序列数据中，比较分析可以帮助我们深入理解基因组的进化历程和分子机制。

另一种方法是使用拓扑学方法，探究基因组的空间结构。

在基因组序列较大时，我们可以使用拓扑学方法绘制基因组的空间结构。

例如，使用Hi-C技术测量相互作用以及业已知识，可以在整个基因组水平上绘制出基因组结构，并探究该结构对基因组功能和演化的影响。

流行病学方法是基于疾病的流行病学，将群体基因组中的单核苷酸多态性（SNP）数据的分布与疾病发生的相关性进行探究。

基于大规模泛基因组序列数据开展的流行病学研究是解决常见/不常见疾病发生与基因组的关系问题的有效方法之一2. 剖析基因组的表达和调控基因组的表达和调控是解释生物体各种发育及环境响应的重要机制。