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高通量測(cè)序在生物學(xué)的應(yīng)用第1頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四主要報(bào)告內(nèi)容高通量測(cè)序簡(jiǎn)介從頭測(cè)序及其應(yīng)用重測(cè)序及其應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及其應(yīng)用SmallRNA測(cè)序及其應(yīng)用第2頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四HGP項(xiàng)目:20世紀(jì)90年代美國(guó)能源部資助啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃,六個(gè)國(guó)家的科學(xué)家耗資4.37億,于2000年完成人類基因組工作草圖。方法和結(jié)果:應(yīng)用分層shotgun+Sanger測(cè)序法,結(jié)果預(yù)測(cè)了31,000個(gè)基因,證明基因組的95%是非編碼序列。意義:人類基因組測(cè)序的完成標(biāo)志著分子醫(yī)學(xué)時(shí)代的到來(lái);此項(xiàng)目也催生了高通量測(cè)序技術(shù)。Nature(2001)409:860-921人類基因組從頭測(cè)序分析分層的shotgun測(cè)序法第3頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四Sanger測(cè)序技術(shù)PCR末端終止技術(shù)+電泳檢測(cè)技術(shù)單個(gè)片段序列測(cè)定最高通量:小于4MB/天基于平板膠的測(cè)序技術(shù)96通道毛細(xì)管陣列第4頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四高通量測(cè)序技術(shù)ShotGun文庫(kù)構(gòu)建DNA片段固定簇序列讀取反應(yīng)圖像獲得和處理序列組裝和比較單條模板擴(kuò)增1234TTTT…T

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…第5頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四123789456TTTTTTT

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T…高通量測(cè)序技術(shù)第6頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四主要測(cè)序技術(shù)平臺(tái)Metzker,NatureReviewsGenetics(2010)11:31第7頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四主要報(bào)告內(nèi)容高通量測(cè)序簡(jiǎn)介從頭測(cè)序及其應(yīng)用重測(cè)序及其應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及其應(yīng)用SmallRNA測(cè)序及其應(yīng)用第8頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四454技術(shù)完成5倍測(cè)序深度;GAII技術(shù)完成20倍測(cè)序深度;Sanger技術(shù)完成6倍覆蓋度(Dallouletal.PLoSBiol(2010)8:e1000475)多種技術(shù)平臺(tái)聯(lián)合應(yīng)用完成火雞基因組從頭測(cè)序測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)第9頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四火雞基因組從頭測(cè)序結(jié)果:覆蓋火雞基因組90%(0.92/1.1Gb),發(fā)現(xiàn)6MSNP,預(yù)測(cè)16K個(gè)基因?;痣u和家雞測(cè)序拼接結(jié)果第10頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四火雞基因組從頭測(cè)序發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)禽類特有的基因,尤其是性染色體基因研究令人興奮。禽類中的特有基因第11頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四火雞基因組從頭測(cè)序?yàn)檠芯空咛峁┗痣u質(zhì)量和數(shù)量生產(chǎn)性狀和抗病候選基因,加速了火雞育種進(jìn)展。與家雞基因組比較火雞基因組中20種基因家族的分布情況三種鳥類基因比對(duì)結(jié)果四種禽類不同氨基酸含量情況第12頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四意義:第一個(gè)完全運(yùn)用高通量測(cè)序技術(shù)模式完成的動(dòng)物基因組從頭測(cè)序;方法和結(jié)果:不同插入片段測(cè)序文庫(kù)雙末端測(cè)序技術(shù)的嘗試:包括150bp、500bp、2kb、5kb和10kb不同插入片段,測(cè)序深度達(dá)73倍,覆蓋94%的基因組區(qū)域;獲得2.7MSNP位點(diǎn),證明大熊貓仍然具備很高的雜合率和較高的遺傳多態(tài)性;Lietal.,Nature(2009)463:311-317大熊貓基因組從頭測(cè)序和組裝第13頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四大熊貓基因組從頭測(cè)序和組裝利用9個(gè)Sanger測(cè)序的BAC序列評(píng)價(jià)測(cè)序的質(zhì)量,表明98%的BAC序列可以比對(duì)到scaffold上預(yù)測(cè)大熊貓約有21001個(gè)基因大熊貓與人、狗和鼠的基因進(jìn)化分析測(cè)序數(shù)據(jù)與BAC序列比較第14頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四構(gòu)建不同長(zhǎng)度的插入片段文庫(kù)高通量測(cè)序基因組雜合度分析覆蓋基因區(qū)估計(jì)得到框架圖或更高覆蓋度500bpfragment文庫(kù)Paired-end測(cè)序,測(cè)序深度達(dá)到40×以上3KBMatepair文庫(kù)Paired-end測(cè)序,測(cè)序深度達(dá)到60×以上10KBMatepair文庫(kù)Paired-end測(cè)序,測(cè)序深度達(dá)到80×以上基因雜合度>5%,同時(shí)啟動(dòng)BAC-to-BAC測(cè)序基因組從頭測(cè)序經(jīng)典策略第15頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四從頭測(cè)序的數(shù)據(jù)分析和產(chǎn)出指標(biāo)框架圖

覆蓋基因組常染色體區(qū)域90%,覆蓋基因區(qū)域95%,contigN50達(dá)到5Kb,scaffoldN50達(dá)到20Kb,單堿基錯(cuò)誤率在萬(wàn)分之一以下精細(xì)圖

覆蓋基因組常染色體區(qū)域95%,覆蓋基因區(qū)域98%,contigN50達(dá)到20Kb,scaffoldN50達(dá)到300Kb,單堿基錯(cuò)誤率在萬(wàn)分之一以下完成圖

完整的基因組序列,單堿基錯(cuò)誤率在十萬(wàn)分之一以下從頭測(cè)序的覆蓋度指標(biāo)從頭測(cè)序主要數(shù)據(jù)分析原始數(shù)據(jù)比對(duì)組裝結(jié)果統(tǒng)計(jì)覆蓋度、深度評(píng)價(jià)基因注釋比較基因組及進(jìn)化分析第16頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四藍(lán)藻~1Mb線蟲~100Mb果蠅>100Mb人~3,000Mb基因和基因組進(jìn)化小鼠~3,000Mb第17頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四生物進(jìn)化譜系樹大鼠、小鼠、狗、大熊貓、?!译u、火雞……斑馬魚……擬南芥、水稻、楊樹、釀酒葡萄、短柄草、黃瓜、高粱、玉米……1535個(gè)細(xì)菌基因組、49個(gè)真菌基因組和78個(gè)古細(xì)菌……

利什曼原蟲、椎體蟲……四類藍(lán)藻……隱藻……蜜蜂……第18頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四單分子測(cè)序技術(shù)及其對(duì)從頭測(cè)序的影響單分子實(shí)時(shí)測(cè)序,無(wú)需PCR擴(kuò)增運(yùn)行時(shí)間15min或者更短,讀長(zhǎng)達(dá)到5-50K,數(shù)據(jù)產(chǎn)出100-1000G;使人類基因組測(cè)序成本低于1000美元第19頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四主要報(bào)告內(nèi)容高通量測(cè)序簡(jiǎn)介從頭測(cè)序及其應(yīng)用重測(cè)序及其應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及其應(yīng)用SmallRNA測(cè)序及其應(yīng)用第20頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四瑞士和美國(guó)科學(xué)家對(duì)8個(gè)家雞品系和1個(gè)野生品系進(jìn)行測(cè)序該研究可以用于動(dòng)物育種及提高家雞在生物醫(yī)藥研究模式動(dòng)物中的應(yīng)用Rubinetal.,Nature(2010)464:doi:10.1038通過全基因組重測(cè)序分析雞馴養(yǎng)過程中的位點(diǎn)選擇第21頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四通過全基因組重測(cè)序分析雞馴養(yǎng)過程中的位點(diǎn)選擇測(cè)序完成44.5倍測(cè)序深度,測(cè)序覆蓋度達(dá)92%發(fā)現(xiàn)7,000,000SNP位點(diǎn),約1,300插入/缺失位點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)基因功能缺失突變?cè)陔u馴養(yǎng)過程中沒有顯著性作用缺失影響編碼區(qū)的基因測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)第22頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四篩選到兩個(gè)基因GHR(以前驗(yàn)證)和SH3RF2在育種中具有功能在400個(gè)F8群體中分析SH3RF2的缺失對(duì)雞體重的影響表明SH3RF2是篩選不同雞品系的一個(gè)重要指標(biāo)通過全基因組重測(cè)序分析雞馴養(yǎng)過程中的位點(diǎn)選擇分析SH3RF2基因第23頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四中科院上海生命科學(xué)院、北京基因組所等六家科研機(jī)構(gòu)對(duì)150個(gè)水稻RIL系進(jìn)行測(cè)序利用IlluminaGA,每16個(gè)樣一個(gè)道,以3個(gè)堿基為標(biāo)簽,測(cè)序讀長(zhǎng)為36堿基,每個(gè)樣的測(cè)序深度約0.02倍第一次利用全基因組重測(cè)序篩選SNP位點(diǎn),對(duì)群體進(jìn)行表型分析利用全基因組重測(cè)序分析表型差異第24頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四利用全基因組重測(cè)序分析表型差異分析兩個(gè)親本的基因組差異發(fā)現(xiàn)1,226,791SNP位點(diǎn),即3.2SNPs/kb分析150個(gè)RILs發(fā)現(xiàn)了1,493,461SNP位點(diǎn),即1SNP/40kb實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)第25頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四與以前的該RILs的重組圖譜比較分析,在150個(gè)RILs中鑒定出2334個(gè)重組框,平均每個(gè)框的大小約164kb利用slidingwindow方法分析SNP位點(diǎn)與表型間的關(guān)系與重組位點(diǎn)利用全基因組重測(cè)序分析表型差異Slidingwindow方法第26頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四分析株高,共鑒定出4個(gè)QTL,其中貢獻(xiàn)率最強(qiáng)的1個(gè)QTL位點(diǎn)含有一個(gè)sd1基因,該基因在2002年已被報(bào)道。表明利用全基因組重測(cè)序可以進(jìn)行精確的QTL定位及基因定位利用全基因組重測(cè)序分析表型差異第27頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四重測(cè)序生物信息學(xué)分析內(nèi)容第28頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四Genetech公司(已被羅氏制藥收購(gòu))生物信息學(xué)與計(jì)算機(jī)生物學(xué)部,與CompleteGenomics公司合作對(duì)一名煙齡超過15年,平均每天吸煙25根的原發(fā)性肺部腫瘤患者進(jìn)行分析,將這名患者的癌細(xì)胞和相鄰正常組織的基因組進(jìn)行測(cè)序?qū)Π┘?xì)胞完成了60倍的測(cè)序深度,相鄰正常組織完成了46倍的測(cè)序深度。

(Leeetal.Nature(2010)465:473)肺癌組織的比較基因組學(xué)研究測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)第29頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四肺癌組織比較基因組研究發(fā)現(xiàn)了超過5萬(wàn)個(gè)基因點(diǎn)突變,其中530個(gè)得到確認(rèn),它們當(dāng)中392個(gè)在編碼區(qū)域,包括以前已知的變異,如KRAS“原致癌基因”突變和放大體細(xì)胞單核苷酸突變趨勢(shì)和模式統(tǒng)計(jì)第30頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四MAPK信號(hào)通路中多個(gè)基因的突變的作用模式肺癌組織比較基因組研究表明遺傳上復(fù)雜的腫瘤可能包含很多部分冗余的突變,而且要識(shí)別復(fù)發(fā)性致癌“驅(qū)動(dòng)突變”(drivermutation),將需要對(duì)很多尚未測(cè)序的樣本進(jìn)行測(cè)序。這些癌基因的發(fā)現(xiàn)對(duì)于未來(lái)研究肺癌靶向治療,以及基因突變具有重要的意義第31頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四猶他大學(xué)(Universityofutah),CompleteGenomics公司,華盛頓大學(xué)等對(duì)一對(duì)夫妻和他們的兩個(gè)孩子進(jìn)行了全基因組測(cè)序。這家的兩個(gè)孩子都患有米勒綜合征和原發(fā)性纖毛運(yùn)動(dòng)障礙,這兩種疾病都是常染色體隱性遺傳病測(cè)序深度分別為父親88倍,母親51倍,兒子52倍,女兒54倍Coachetal.,Science(2010)328(597):636–639

應(yīng)用全基因組測(cè)序技術(shù)在家系中分析遺傳力第32頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四父母和子女的測(cè)序覆蓋度分別達(dá)到91%、85%、92%和91%與參考序列相比,96%序列至少在一個(gè)家系成員中被檢測(cè)到,81%序列在家系四個(gè)成員中都檢測(cè)到應(yīng)用全基因組測(cè)序技術(shù)在家系中分析遺傳力測(cè)序數(shù)據(jù)與NCBI參考基因組序列比較分析測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)第33頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四通過比較兩代之間的基因組序列,科學(xué)家們對(duì)兒童基因組描繪出精確的重組圖譜。這讓他們校正了70%的測(cè)序錯(cuò)誤,使測(cè)序準(zhǔn)確率達(dá)99.999%。使研究人員精確確定了重組位點(diǎn)和稀有的單核苷酸多態(tài)性。在他們最終的分析中,只保留了四個(gè)候選基因的突變,包括已知在纖毛運(yùn)動(dòng)障礙中突變的基因以及導(dǎo)致米勒綜合征的變異體應(yīng)用全基因組測(cè)序技術(shù)在家系中分析遺傳力重組圖譜SNP分析第34頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四這些結(jié)果暗示對(duì)任何簡(jiǎn)單的單基因遺傳病,一個(gè)或兩個(gè)家庭的全基因組測(cè)序就有可能鑒定出致病突變研究人員還第一次估算出兩代人之間的遺傳突變率,即基因組從一代人到下一代人的遺傳過程中會(huì)發(fā)生多大程度的改變,約為1.1×10-8。結(jié)果發(fā)現(xiàn),從父母到孩子的基因變異率僅為之前醫(yī)學(xué)界預(yù)期的一半。應(yīng)用全基因組測(cè)序技術(shù)在家系中分析遺傳力第35頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四哈佛醫(yī)學(xué)院計(jì)算遺傳中心主任GeorgeChurch提出PGP目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)包含100,000人、公眾可以公開訪問的在線基因庫(kù),幫助科學(xué)家了解基因之間的聯(lián)系和遺傳特征現(xiàn)已公布了1000人的基因組序列個(gè)人基因組測(cè)序是個(gè)性化醫(yī)療保健的基礎(chǔ)

個(gè)人基因組計(jì)劃(PGP)/

GeorgeChurch和他的研究團(tuán)隊(duì)第36頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四重測(cè)序意義在個(gè)體或群體水平進(jìn)行差異性分析輔助分子育種,能夠快速的進(jìn)行種質(zhì)資源普查篩選遺傳進(jìn)化分析及重要性狀候選基因預(yù)測(cè)遺傳疾病分析第37頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四主要報(bào)告內(nèi)容高通量測(cè)序簡(jiǎn)介從頭測(cè)序及其應(yīng)用重測(cè)序及其應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及其應(yīng)用SmallRNA測(cè)序及其應(yīng)用第38頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四RNA是遺傳信息的載體第39頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四應(yīng)用RNA-seq分析葡萄漿果發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄組意大利維羅納大學(xué)Vitisvinifera(葡萄)漿果發(fā)育三個(gè)階段中(開花后5周、10周和15周,即著果期、轉(zhuǎn)色期和成熟期三種發(fā)育階段中)的轉(zhuǎn)錄組研究數(shù)據(jù)量超過59M的36至44bp讀長(zhǎng)

,82%的測(cè)序序列能夠比對(duì)到基因組上

第一次使用RNA-seq分析葡萄漿果發(fā)育過程中的基因轉(zhuǎn)錄差異

有參考序列第40頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四分析92,051剪切點(diǎn),大約0.8%剪切點(diǎn)參與385個(gè)基因的可變剪切與葡萄參考基因組(PinotNoir40024)比較,檢測(cè)到85870個(gè)eSNP應(yīng)用RNA-seq分析葡萄漿果發(fā)育轉(zhuǎn)錄組分析基因的可變剪切第41頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四鑒定了漿果發(fā)育過程中的17324個(gè)基因,其中的6695的基因是以時(shí)期特異性方式表達(dá)的分析漿果發(fā)育過程中的marker基因,表明RNA-seq分析的準(zhǔn)確性應(yīng)用RNA-seq分析葡萄漿果發(fā)育轉(zhuǎn)錄組第42頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四中科院上海生命科學(xué)院、北京基因組所和上海交通大學(xué)對(duì)一個(gè)japonica(Nipp)和兩個(gè)

indica(Gla4and93-11)發(fā)芽?jī)芍艿臉悠愤M(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序每個(gè)樣本兩個(gè)生物學(xué)重復(fù),每個(gè)樣本測(cè)三次,2×40堿基測(cè)兩次和2×76堿基測(cè)一次第一次運(yùn)用高通量測(cè)序分析轉(zhuǎn)錄組以鑒定外顯子剪切位點(diǎn)運(yùn)用RNA-seq對(duì)水稻轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行功能注釋有參考序列第43頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四與參考序列比較,約38.8%~57.3%能夠比對(duì)到基因組的一個(gè)位置上共鑒定了15708個(gè)新的TARs(transcriptionalactiveregions)運(yùn)用RNA-seq對(duì)水稻轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行功能注釋測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)新的TAR統(tǒng)計(jì)第44頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四約48%的水稻基因具有可變剪切,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前預(yù)測(cè)的頻率檢測(cè)到參考基因注釋中的83.1%基因6228個(gè)基因的5’和/或3’末端至少比預(yù)測(cè)的延長(zhǎng)50bp運(yùn)用RNA-seq對(duì)水稻轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行功能注釋第45頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四浙江大學(xué)對(duì)白粉虱的蟲卵、幼蟲、蛹和成蟲進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序用1個(gè)flowcell進(jìn)行測(cè)序,可用數(shù)據(jù)約43M,讀長(zhǎng)為75bp無(wú)參考序列從頭分析白粉虱轉(zhuǎn)錄組第46頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四從頭分析白粉虱轉(zhuǎn)錄組

拼接完成4,274,766contigs,170,115scaffolds利用TGICL軟件分析產(chǎn)生168,900個(gè)unique序列(平均長(zhǎng)度=266bp)

由于unique序列較短,83.8%unique序列無(wú)法進(jìn)行基因功能注釋與NCBI數(shù)據(jù)比對(duì)成功的序列97%序列長(zhǎng)度超過2000bp第47頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四GO分析能夠把7,330unigene序列歸類到52個(gè)有功能群中COG分析歸類7790unigene序列到25類中KEGG通路分析能夠?qū)?1,104個(gè)unigene序列歸類到214個(gè)通路中從頭分析白粉虱轉(zhuǎn)錄組第48頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四列入研究白粉虱對(duì)殺蟲劑具有很高的抗性昆蟲基因組中約有10~11個(gè)煙酰胺乙酰膽堿受體亞基基因檢測(cè)到28個(gè)煙酰胺乙酰膽堿受體相關(guān)的序列,分析共鑒定9個(gè)不同的受體序列從頭分析白粉虱轉(zhuǎn)錄組第49頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四轉(zhuǎn)錄組測(cè)序生物信息學(xué)分析內(nèi)容第50頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四轉(zhuǎn)錄組測(cè)序應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)錄本結(jié)構(gòu)研究:UTR鑒定、Intron邊界鑒定、可變剪切研究、Startcodon鑒定等基因轉(zhuǎn)錄水平研究全新轉(zhuǎn)錄區(qū)域研究Non-codingRNA研究第51頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四主要報(bào)告內(nèi)容高通量測(cè)序簡(jiǎn)介從頭測(cè)序及其應(yīng)用重測(cè)序及其應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及其應(yīng)用SmallRNA測(cè)序及其應(yīng)用第52頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四miRNA是調(diào)控基因表達(dá)的一種普遍方式第53頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四俄克拉荷馬州立大學(xué),生物化學(xué)與分子生物學(xué)系對(duì)逆境條件干旱、高鹽和正常條件下的水稻4周幼苗進(jìn)行miRNA測(cè)序三種處理分別得到102,876、54,016和174,530測(cè)序序列(43003、80990和58781個(gè)miRNAs)利用高通量測(cè)序鑒定水稻miRNA第54頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,星期四目前水稻中公布的miRNA家族為53個(gè),鑒定了23種新的miRNA6種新的miRNA為單子葉植物特有的miRNA預(yù)測(cè)了40個(gè)候選miRNA利用高通量測(cè)序技術(shù)鑒定水稻miRNA單子葉植物特有的miRNA第55頁(yè),共61頁(yè),2023年,2月20日,

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