針葉樹基因組資源的遺傳改良研究進展

針葉樹基因組資源的遺傳改良研究進展

木林的遺傳繁殖是在研究樹木遺傳差異的基礎(chǔ)上進行的，遵循其遺傳規(guī)律，改變樹木的遺傳組成，培育新品種樹木。隨著全球木材供需矛盾和能源、生態(tài)壓力的增加,加速林木育種進程,提高林木生產(chǎn)力是當前面臨的重要的世界性研究課題。與農(nóng)作物育種不同,林木遺傳育種不僅起步較晚,而且有其自身的特點。首先,林木育種周期長,如美國南部的松樹育種,盡管歷時近百年時間,現(xiàn)在也才進行到第3輪選育和子代測定,而同樣的進展在許多農(nóng)作物中可能1a內(nèi)就能完成;其次,林木育種需營建大型子代測定林,而營建以及后期的管護費用都很高;再次,林木許多重要經(jīng)濟性狀僅在輪伐期才能得以完全有效地評定。這些特點決定林木遺傳育種不能僅靠常規(guī)育種的表型選擇策略,更需借助現(xiàn)代育種新技術(shù)來輔助常規(guī)育種,加速育種進程?；蚪M資源(genomicresources)包括全基因組序列、轉(zhuǎn)錄組序列[表達序列標簽(EST)、全長-cDNA(FL-cDNA)和單一基因(UniGene等)]和DNA分子標記等。EST,FL-cDNA和UniGene來自表達基因,是基因序列的一部分,避免了內(nèi)含子和基因間區(qū)域?qū)?shù)據(jù)分析的干擾1針葉樹聚集資源的研究1.1毛果楊基因組測序針葉樹是高等植物進化過程中一支古老而多變的分支,也是裸子植物中最大和最重要的一支,共包含6個科601個樹種毛果楊Populustrichocarpa以其相對較小的基因組(約為擬南芥的4倍)和作為生物燃料原料的潛力,首次被美國能源部聯(lián)合基因組研究所(JGI)選中用于全基因組測序1.2針葉樹基因組資源數(shù)據(jù)庫的建立盡管全基因組測序落后于闊葉樹種,但木本植物中首例公開的高通量EST測序項目卻是在針葉樹中開展的。早在1998年,北卡州立大學的研究人員就獲得了超過70000條與火炬松Pinustaeda木材形成相關(guān)的EST序列近年來,在遺傳改良項目和林木在生態(tài)系統(tǒng)中作用越發(fā)受到關(guān)注的驅(qū)動下截至目前,包含針葉樹基因組資源的公共數(shù)據(jù)庫有美國國立生物技術(shù)信息中心(NCBI)創(chuàng)立的GenBank除公共數(shù)據(jù)庫外,專門收錄針葉樹基因組資源數(shù)據(jù)庫有GymnospermDatabase隨著基因序列不斷獲得,針葉樹DNA分子標記的發(fā)展亦非常迅速。早期的遺傳標記為限制性片段長度多態(tài)性(RFLP),第2代標記為隨機擴增多態(tài)性DNA標記(RAPD)技術(shù)和擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)標記,但作為顯性標記,它們的應用具有一定的局限性。簡單序列重復(SSR)標記是分散在全基因組上的成簇的短串聯(lián)重復核苷酸,但由于傳統(tǒng)的SSR標記開發(fā)包括構(gòu)建富集SSR的文庫、克隆和測序等步驟,開發(fā)成本較高。被稱為第3代遺傳標記的單核苷酸多態(tài)性(SNP)位點豐富,遺傳穩(wěn)定性高,已成為醫(yī)學研究中的重要工具,雖然在針葉樹中的應用起步較晚2基因組學輔助育種策略基因組學是遺傳學的重要分支,作物育種學家提出了“基因組學輔助育種”(genomics-assistedbreeding)的策略來強調(diào)基因組資源對育種的重要作用2.1分子ssr檢測密度由于林木世代周期長,幼-成期變化大,有些性狀(如抗病、產(chǎn)量以及與環(huán)境存在很強互作的性狀)很難從表型入手進行選擇,亦或選擇成本很高,尋求有效的早期(或間接)選擇方法一直是林木遺傳育種學家努力的目標。以遺傳標記信息為基礎(chǔ)的間接選擇(首先建立分子標記與性狀的關(guān)聯(lián),通過選擇分子標記達到篩選具有優(yōu)良表型性狀基因型的目的),即分子標記輔助選擇(marker-assistedselection,簡稱MAS)在縮短育種周期,降低育種成本,提高選擇強度和效率中開始逐漸發(fā)揮重要作用。由于林木中由單基因控制的重要性狀不多,林木遺傳學家和育種學家更關(guān)注數(shù)量性狀,因此,在“基因組學輔助育種”應用之前,需要把數(shù)量性狀剖分到各個單個基因組分,進而弄清單個基因?qū)碗s性狀的作用,像研究質(zhì)量性狀一樣對控制數(shù)量性狀的多個基因分別進行研究。林木分子性狀解析開始于20世紀90年代,普遍采用的方法是在構(gòu)建高密度遺傳連鎖圖譜的基礎(chǔ)上進行數(shù)量性狀位點定位(QTLmapping),這一方法可以確定控制數(shù)量性狀的基因數(shù)目、在染色體上的位置、各位點作用貢獻的大小以及基因間相互關(guān)系。eQTL(expressionQTL)將分離群體中每個基因的表達量作為數(shù)量性狀以往林木遺傳育種工作者很少留意建立并保存高世代的育種群體,缺少合適的群體成為林木圖譜構(gòu)建進而開展QTL定位研究的最大障礙。而且林木基因組巨大,連鎖不平衡(linkagedisequilibrium)水平較低,數(shù)量性狀的表達在不同環(huán)境下會出現(xiàn)波動,而普遍采用的分離群體不大(大約100個),導致QTL區(qū)間太大,以至于可能包含數(shù)以千計的基因,QTL作用貢獻普遍被高估;加之只能進行家系內(nèi)選擇,不能進行家系間選擇,這一方法很難直接應用到林木育種實踐中關(guān)聯(lián)分析(associationanalysis)能揭示天然群體中表型變化的分子基礎(chǔ),是有效的林木分子育種策略與QTL定位這種正向基因組學方法(forwardgenomicsapproaches)不同,關(guān)聯(lián)分析屬于反向基因組學方法(reversegenomicsapproaches),它的成功應用需要大量的基因組信息來對同一群體內(nèi)的多個個體進行基因分型(genotyping)實驗。開展關(guān)聯(lián)研究有2種策略2.2功能關(guān)聯(lián)型全基因組序列的獲得和驗證作物育種學家把“分子標記輔助育種”的概念外延到“基因組學輔助育種”,實際上是在強調(diào)基因組學對作物育種的巨大潛力和越來越重要的作用。轉(zhuǎn)錄本(包括EST,FL-cDNA和UniGene)除了作為一種分子標記類型外,其本身及其功能注釋作為計算基因組學(computationalgenomics)的產(chǎn)物,對育種來說就是一筆寶貴的資源?，F(xiàn)在已經(jīng)獲得了一些模式植物的全基因組序列,而且一些基因的功能已被注釋,如擬南芥、水稻和楊樹等,通過與模式植物基因組的同源性比較,可以獲得未知基因的功能并可查找到其基因序列。研究發(fā)現(xiàn),林木特別是針葉樹,種間基因的同線性和共線性很強,基因組保守性較高,遺傳信息可以在親緣關(guān)系比較近的樹種間轉(zhuǎn)移,這使同源比對的可行性大幅增加。而在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的同源搜索(如BlastX))則有望獲得功能關(guān)聯(lián)型的候選基因。除了能為關(guān)聯(lián)分析研究提供候選基因外,還可以作為基因工程的基因試劑(geneticreagents)隨著針葉樹基因組資源的不斷積累,功能基因組學研究也已經(jīng)進入了高通量分析階段。目前,基因組學信息為在基因組水平上全面系統(tǒng)分析某一生命活動過程提供了強大工具,林木功能基因組研究在林木遺傳育種和研究領(lǐng)域具有廣闊的應用前景和發(fā)展空間。借助功能基因組學研究工具如DNA微陣列及最近發(fā)展起來的數(shù)字表達譜技術(shù),針葉樹育種中的許多關(guān)鍵問題如雜種優(yōu)勢由已經(jīng)獲得功能注釋的EST或基因序列開發(fā)出來的SNP和SSR很可能與基因功能直接相關(guān),因此也被稱為功能標記(functionalmarker)3基因組資源研究計劃傳統(tǒng)的開發(fā)基因資源的實驗室方法包括克隆、構(gòu)建cDNA文庫和文庫擴增等許多勞動力密集型的Sanger測序步驟在Sanger技術(shù)統(tǒng)治DNA測序領(lǐng)域近30a之后,新一代測序技術(shù),包括Roche/454的GenomeSequencerFLXInstrument,IlluminaSolexa公司的IlluminaHiseq2000和AppliedBiosystem公司的SOLiD系統(tǒng),自2004年開始逐漸推出并面向市場隨著新一代測序技術(shù)(NGS)和表達序列標簽-簡單序列重復(EST-SSR)標記技術(shù)的出現(xiàn),SSR標記的開發(fā)成本已大幅下降,應用日漸增多新一代測序技術(shù)的出現(xiàn)使得獲得基因組資源的時間縮短,成本大幅下降。目前,單個實驗室開展全基因組重測序已成為可能隨著基因組資源獲取速度的加快,國際間合作交流也將變得更頻繁。受美國農(nóng)業(yè)部資助