基因组学研究助力马铃薯育种方式的变革

马铃薯是全球最重要的非谷物类粮食作物。杂交马铃薯育种,即将马铃薯由四倍体无性繁殖作物改造成二倍体种子作物,已经成为马铃薯领域的研究热点。过去十多年来,以二倍体为主要研究对象的马铃薯基因组学快速发展,进一步促进了马铃薯育种技术的变革。本文系统梳理了马铃薯基因组学发展的历程,以及基因组学研究如何助力解决杂交马铃薯育种的两个难题——自交不亲和与自交衰退,并推动马铃薯基因组设计育种体系的构建,使马铃薯育种迈向4.0时代。

玉蜀黍属植物叶绿体基因组进化及变异研究

玉蜀黍属(Zea)又名玉米属,包含玉蜀黍(俗称玉米,Z. mays)及其野生种,是全球重要谷物之一,也是基础研究的模式植物。为深入解析该属物种系统发育关系和遗传变异规律,研究利用NCBI已发表的201个玉蜀黍属植物Illumina二代测序数据,通过组装、注释和分析,全面探究玉蜀黍属植物叶绿体基因组。结果表明,玉蜀黍属叶绿体基因组呈典型的环状四分体结构,全长为140 443~141 050 bp,GC含量为38.4%,共有128个基因被注释;密码子偏好性分析发现,玉米与其他物种差异明显,尤其对UUA密码子偏好性最明显;玉米与其他物种重复序列总体上无明显差异,但在简单重复序列类型中,玉米与其他物种区别较大;所有样本在系统发育分析中被分为四组,共鉴定出79个单倍型,同一组样本聚集,主成分分析结果支持不同组的样本可清晰分开;核苷酸多态性分析准确定位了10个高变位点,可作为潜在的DNA条形码。综上,研究揭示了201个玉蜀黍属植物叶绿体基因组之间的遗传变异和系统进化关系,为加速玉米育种进程提供了细胞器遗传基因组的新视角。

植物线粒体基因组编辑研究进展

线粒体是真核生物细胞内的半自主细胞器,具有自身的基因组(mtDNA),在生命活动中扮演重要角色。人类mtDNA突变与多种遗传疾病相关,而在植物中mtDNA高频重组产生的ORF基因常常与植株雄性不育表型相关。随着基因编辑技术的迅速发展,mtDNA编辑技术为研究和治疗线粒体疾病提供了有力工具。得益于mtDNA编辑工具的丰富,线粒体编辑技术也被广泛应用于植物线粒体基因组功能基因以及未知序列的研究中。相较于核基因组编辑,针对mtDNA编辑仍然面临一些限制因素。本文总结了mtDNA编辑技术的发展和研究现状,以及在植物领域利用这些编辑技术对mtDNA进行的研究进展,展望了在植物线粒体研究中的mtDNA编辑技术潜在优化思路以及应用潜力。

氢气在现代农业应用中的研究进展

绿色健康是现代农业的新要求,因此在现代农业生产中需要探索更多绿色健康生产的新技术、新工艺,氢农业便是其中一个重要的发展方向。氢气是一种具有生物学效应的信号分子,在动植物机体内已被证明具有选择性抗氧化、抗炎、抗凋亡等生理作用,其分子作用机制研究已取得一些重要进展。氢生物学作为新兴的交叉学科,前期研究主要集中在氢医学的基础与临床医学领域。而随着基础理论与制氢技术、方法及设备的成熟与普及,氢生物学延伸至农业生产领域并逐步形成氢农学与氢农业,助力农业产业绿色健康发展。在介绍氢气生物学理论假说的基础上,归纳氢气在种子萌发、作物根系发育、作物茎叶花等器官发育等作物生长发育方面和农产品品质与贮藏保鲜方面的研究及应用。总结氢气对作物干旱胁迫、盐胁迫、高低温胁迫、光照胁迫、重金属胁迫等作物适应性方面的研究成果,以及综述富氢水在养鸡生产、养猪生产和水产养殖等畜禽养殖中的研究进展。进一步指出目前氢气在现代农业应用中存在的一些问题和挑战,并结合国家部委发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,对下一步氢气在未来农业中的发展趋势及研究重点进行科学展望,旨在为进一步的氢农业发展理清思路与方向。

茶树基因组与测序技术的研究进展

茶树具有高度杂合、基因组庞大及高度重复等特点,这导致茶树基因组的前期研究进展缓慢。基因组测序技术的迅速发展有力推动茶树基因组的解析与完善。综述了基因组测序技术的发展,将近年来茶树基因组的组装与研究进展按照草图水平、染色体水平和单体型水平进行分类,探讨茶树基因组未来的应用与发展方向,为茶树功能基因组学研究和精确分子育种提供参考。

基于转录组测序研究绿光影响鹅胚心脏早期发育的候选基因

旨在通过分析鹅胚心脏在绿光光照刺激下的基因表达差异,挖掘心脏发育的候选基因。本研究将512枚鹅种蛋,随机均分在正常黑暗孵化以及补充绿光的两台孵化机中,每台孵化机内放置4层(64枚·层^(-1)),绿光孵化机提供15 min开灯和15 min关灯的间歇光照。在孵化第13、16、20、24、28和30天时,每组随机挑选种蛋8枚,称取胚胎重量,分离胚胎心脏组织并称重;采集孵化第13天的胚胎心脏组织(每组各3),进行转录组测序(RNA-Seq),筛选差异表达基因(DEGs)并进行功能富集分析,鉴定与绿光促进心脏发育相关的候选基因。并通过荧光定量PCR(qRT-PCR方法)验证测序结果的可靠性。结果表明:绿光显著提高16和30胚龄胚重比例(胚胎重/入孵蛋重×100)(P<0.05),以及13和16胚龄心脏指数(心脏重/胚胎重×100)(P<0.05)。心脏转录组测序分析共筛选出1 643个DEGs。随机选择7个DEGs进行RT-qPCR验证,表达趋势与测序结果一致。功能富集分析表明,DEGs主要涉及PI3K-Akt信号通路、AMPK信号通路等通路,最终筛选出GATA4、GATA5、Smad4和GHR这4个候选基因。对它们在不同胚龄阶段心脏组织中的mRNA表达量进行分析,其表达模式进一步表明了其在绿光调控心脏发育过程中的作用。本研究发现,鹅蛋孵化期绿光处理促进了胚胎和心脏发育,进一步通过心脏组织转录组数据分析,鉴定到了4个鹅胚心脏发育候选基因GATA4、GATA5、Smad4和GHR,为鹅胚心脏组织发育的分子调控机制提供了线索,并为绿光应用于鹅种蛋孵化提供了理论基础。

我国农业入侵生物科学管控体系形成与发展

生物安全是国家安全的重要组成部分,生物安全研究技术是当前最活跃的技术领域,是推动世界新一轮科技革命和产业变革的重要力量之一,日益成为全球科技竞争的热点领域和各国争相布局的战略制高点。进入21世纪以来,我国农业外来生物入侵等生物安全问题不断凸显,直接影响粮食安全、生态安全乃至社会与国家安全。本文总结了近年来我国在生物入侵防控领域研究的现状和所取得的成就,并结合国际生物入侵研究的发展态势及聚焦我国生物入侵领域技术发展的重大需求,明确我国农业生物入侵防控研究领域的重大科学问题及科技发展方向和重点任务,进而定位我国在全球生物入侵科技创新坐标系中的位置,做好我国在该领域的重大科学工程和战略性科学计划,为我国中长期生物安全科技发展规划和重大任务部署提供重要决策和依据。

表面增强拉曼散射技术应用于基因分析的研究进展

基因是生物体中传递遗传信息的基本单位,对从分子水平上理解生命现象具有重要意义。近年来针对基因的高效检测及基因相关领域的研究备受关注,基因检测的常用方法是分子生物学方法,主要集中在实验室内开展。相对而言表面增强拉曼散射(SERS)实时表征技术在基因分析中具有很好的应用前景,在基因的检测与鉴别的一些领域逐渐发挥出明显的优势。SERS是一种重要的光谱分析技术,是基于光化学技术的生物活性分子传感器。20世纪70年代,SERS现象的发现给光谱技术的研究注入了新的活力。由于SERS技术不受水分子干扰,因此具有灵敏度高、选择性高、信息量大以及适合水溶液物质研究等优点,能够快速、准确地为生物提供丰富的结构信息,即分子的“指纹”信息。在生命科学领域,SERS技术越来越多地应用于目标样本的原位无损探测。通过对拉曼光谱技术的特点,结合基因的结构特征进行分析,简要介绍了拉曼光谱的原理,围绕SERS散射的原理综述了拉曼光谱信号放大的增强模式和增强介质材料,解决了其含量低检测难、灵敏度低、信号复杂、选择性和特异性差以及信号重现性和稳定性不佳等难点,因此在基因分析领域中得到迅速发展,成为国内外研究的热点,显示出独特的价值和作用;重点阐述了SERS在DNA分子结构、DNA作用机制等方面的探索;并且针对SERS技术结合最新生物技术用于基因分析进行分类综述,讨论了SERS基因分析技术在疾病诊断、病原检测、药物分析、转基因鉴定等方面的最新进展,总结了SERS技术在实际应用中面临的机遇与挑战,简要分析其存在的问题以及在生命科学领域发展的方向和潜力,并对SERS技术广阔的应用前景进行了展望。

畜牧兽医基因组学领域技术空白中外对比研究

[目的 /意义]为了挖掘中国在农业重点领域的技术空白,并预测空白点的未来发展趋势,为科技管理决策者提供有效的科技发展技术机会咨询建议。[方法 /过程]首先,使用关键句嵌入方法和句向量聚类方法,对论文和专利的摘要信息进行挖掘;然后进行主题聚类对比分析,发现技术空白;其次,构建语义相似性网络和分类相似性网络,发现容易与空白点形成交叉融合的主题方向。[结果 /结论]在畜牧兽医领域对基因组学技术进行了实证分析。结果表明,该方法能够发现技术空白,并结合专家分析,可以对畜牧兽医领域基因组学技术进行发展现状解读和未来趋势预测,并为中国畜牧兽医领域基因组学技术智库咨询提供方法和数据支撑。

入侵昆虫基因组研究进展

随着全球贸易的加速发展,入侵物种对农林业、生态环境及人类健康的威胁日益严重。基因组学研究为阐明外来有害生物入侵的分子机制与生态适应性过程以及研发新型防控技术提供了新手段、新平台与大数据。本文综述了入侵昆虫基因组学研究的发展现状,系统总结了基因/基因家族、转座子/重复序列等基因组信息在决定昆虫入侵性中的重要作用,着力探讨了基因组学研究在助力害虫RNAi、昆虫不育技术(SIT)、化学生态防治和物理防治等防控新技术/新产品开发方面的潜力,并展望了基因组学研究应用于入侵昆虫综合防控的前景。

昆虫水平基因转移及其研究进展

水平基因转移(horizontal gene transfer,HGT)是生物体获得遗传信息的方式之一,对生物体进化起重要作用。近年来,越来越多昆虫中的水平基因转移现象被报道,如在鳞翅目(如家蚕、甜菜夜蛾、小菜蛾、斜纹夜蛾)、半翅目(如柑橘粉蚧、烟粉虱)、鞘翅目(如咖啡果小蠹、米象、光肩星天牛)、膜翅目(如金小蜂)、双翅目(如果蝇、白纹伊蚊)等昆虫中广泛存在水平转移基因,且不同的水平转移基因对昆虫的营养合成与共生、吸收与消化、毒素产生与解毒、生长和发育、体色改变等方面有着重要作用。本文结合国内外专家学者的相关报道,就HGT的研究步骤与技术方法、评判HGT发生的方法、昆虫HGT的供体与功能几个方面进行了总结和讨论,以期更加深入地了解水平基因转移现象,为探究水平基因转移的作用机制、理解昆虫的进化、遗传和行为、并将水平基因转移应用到农业生产中为农业害虫的绿色防治提供更多思路。

中国农业领域国家重点实验室发展现状与对策

在中国对国家重点实验室进行重组的背景下,为促进农业领域国家重点实验室更好地发挥领头羊作用,基于相关数据分析认为,农业领域国家重点实验室部分技术已达到国际先进水平,为脱贫攻坚和乡村振兴提供助力,为保障国家粮食安全起到重要作用,然而存在整体规模偏小、地区分布不平衡,人才在学科类、省部共建类实验室的分布不均,以及借助网络媒体等宣传不足等问题。探究未来农业发展趋势并提出发展建议,以期促进国家重点实验室更好发挥在该学科的领头羊作用,为农业领域国家重点实验室重组提供参考。

水稻泛基因组学的发展与前景:重要工具与应用

与单个基因组不同,泛基因组一般是指包含一个物种或群体中全部基因组信息的数据集。近十年来,泛基因组学在水稻中已逐步成为研究热点,相关泛基因组成果和工具已在群体遗传学、进化生物学和生物育种实践等多个下游研究领域中获得广泛应用。本文聚焦于水稻泛基因组学的发展历程与应用前景,回顾了水稻泛基因组学的内涵发展和研究成果的时间线,总结了现有的水稻泛基因组代表性重要成果工具及其在多个领域中的主要应用,展望了其面临的挑战和发展前景。

植物基因组组装技术研究进展

获得包含基因组全序列的参考基因组是对物种进行基因组学研究和利用的前提。大多数被子植物经历过全基因组复制或多倍化以及随后的染色体重排、丢失,很多植物还经历过重复序列大规模扩张,导致了基因组大小的剧烈膨胀,这些事件塑造了植物基因组复杂的特征和广泛的多样性,也在一定程度上导致了植物基因组组装的诸多难题。本文将植物基因组按照简单、高杂合、高重复、高倍性基因组和泛基因组进行分类,介绍不同类型的基因组适用的组装策略及应用效果,并对新测序技术在组装中的应用趋势进行展望。

二代基因组测序鉴别狮头鹅拷贝数变异及其与体重体尺关联

【背景】许多研究报道拷贝数变异(copy number variation,CNV)是一种长度在50 bp至5 Mb之间的缺失或插入,可以影响基因的表达,从而影响动物的生长发育特征,与畜禽重要经济性状有紧密的关联,是一种重要分子遗传标记之一。狮头鹅是世界体型最大鹅种之一,原产地为广东饶平,为广东卤鹅的原材料。但是,至今还没有关于狮头鹅CNV与体重体尺的全基因组关联研究报道。【目的】通过二代基因组测序数据鉴别狮头鹅的CNV和拷贝数变异区域(copy number variation region,CNVR)在基因组上分布情况,通过CNV与体重体尺性状的关联分析,挖掘显著影响体重体尺的CNV及候选基因,为狮头鹅后续的分子育种研究提供参考。【方法】试验共收集了来自汕头市白沙禽畜原种研究所的111只狮头鹅,其中公鹅20只,母鹅91只。所有鹅均采用统一标准饲养管理。对111只鹅进行体重体尺测定,体尺性状包括体斜长、胸深、胸宽等9个指标。本试验对111只鹅进行体重体尺测定和二代基因组测序(5×)。测序数据利用SOAPnuke进行质控,软件Speedseq中的BWA模块进行序列比对,采用Speedseq中的LUMPY和CNVnator模块检测结构变异(structure variation,SV),从SV中筛选CNV。本试验用软件SVtools对CNV进行基因分型,然后采用单标记混合模型开展分型CNV与体重体尺的关联分析。采用染色体显著性水平(即0.05/染色体CNV数目)作为定义与性状显著关联CNV的阈值,对显著CNV位点及上下游50 kb进行基因注释,找到影响狮头鹅体重体尺关联的候选基因。用R包CNVrd2对物理距离小于1 Mb的染色体水平显著CNV和染色体水平显著SNP做连锁不平衡(linkage disequilibrium,LD)分析。【结果】对于111只狮头鹅,共检测出99158个CNV,其中缺失型94560个,重复型4598个,CNV平均长度11858 bp,大部分(74.06%)CNV长度位于50—1000 bp区间。CNVR共5225个,包括缺失型5029个,重复型110个和混合型86个,CNVR平均长度为7136 bp,大部分(81.03%)CNVR长度位于50—1000 bp区间。功能注释发现46.92%CNVR位于基因间区域,10.30%位于基因上游,9.35%位于基因下游。准确进行基因分型的CNV有6217个,通过10个体重体尺性状与这些CNV关联分析,共检测55个染色体显著性水平的CNV位点,注释到45个候选基因。在45个候选基因中,发现SETD2、UBR7、G2E3等10个基因同时影响两个及两个以上性状。染色体水平显著CNV独立于染色体水平显著SNP影响体重体尺性状(r^(2)<0.02)。【结论】通过二代基因组测序首次报道狮头鹅基因组CNV和CNVR分布及CNV和体重体尺关联的情况。本试验共发现影响体重体尺的45个候选基因,其中11个已被报道与畜禽生长信号通路有关,分别是SETD2、UBR7、ASB1和HDAC4参与肌肉的增殖、分化和代谢;G2E3、P3C2B、NOVA1和PDE1B参与脂肪生成和肥胖;ILKAP与调节生长因子有关;KIF1B参与骨代谢;ZFP37参与糖原代谢。这些为后续狮头鹅生长性能的分子遗传机制解析和分子标记挖掘奠定基础。

微生物-生物炭协同修复农业环境中的多元污染物

农业环境污染对我国粮食生产构成了重大挑战,对其开展有效治理已刻不容缓。基于微生物的农业环境污染修复技术效率高、成本低,且不造成二次污染,是当前研究的热点。微生物耦合生物炭可进一步提高其消减环境污染物的效率,且取得了一定的效果。在此背景下,本文首先综述了功能微生物在修复环境污染物中的作用及生物炭负载微生物在当前环境修复中的应用现状,然后讨论了生物炭负载微生物技术在修复效率与资源利用方面的优势与面临的挑战。在此基础上,本文结合当前技术的发展提出微生物与生物炭协同修复技术可深入研究的方向,为了解相关修复技术的有效性及安全性提供依据。

泛基因组研究在遗传多样性和功能基因组学中的应用

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。

智慧农业研究进展:应用纳米生物技术获取作物信息

智慧农业离不开对农业生产过程中作物信息的有效和实时获取。传统手段监测作物信息存在如破坏性取样、精度或分辨率不够等一些局限性。而蓬勃发展的纳米生物技术则为作物信息的实时高效获取提供新的途径。文章将从识别胁迫信号分子的纳米感应元件、递送遗传编码传感器的纳米载体以及可穿戴纳米元件等方面介绍纳米生物技术获取作物信息的方法途径以及相关的一些研究进展。文章将不仅有利于了解更多的高效实时作物信息获取方法,而且有利于从更丰富的维度去理解智慧农业内涵和可能的一些发展路径。

猪CD163基因的单碱基编辑研究

旨在利用YE1-BE3-FNLS载体对猪的CD163基因进行C>T的单碱基突变,形成终止密码子TAA,从而导致CD163基因翻译的提前终止。利用网站在猪CD163基因的第7外显子筛选到高效率的sgRNA序列使其符合C5位点,并且C5后续的两个碱基为AA,CAA与起始密码子ATG之间的碱基数为3的整数倍。PCR扩增CD163-sgRNA和YE1-BE3-FNLS载体中的APOBEC-Cas9n-UGI片段,通过体外转录形成CD163-sgRNA和APOBEC-Cas9n-UGI mRNA。体外培养猪卵母细胞并进行孤雌激活,利用显微操作仪对孤雌胚胎进行CD163-sgRNA和APOBEC-Cas9n-UGI mRNA注射,待胚胎发育至桑椹胚和囊胚阶段,提取胚胎基因组DNA对单碱基编辑区域进行PCR扩增测序。结果显示,在49个候选sgRNA中成功筛选出一个CD163-sgRNA,利用PCR成功扩增了CD163-sgRNA和APOBEC-Cas9n-UGI片段,注射CD163-sgRNA和APOBEC-Cas9n-UGI mRNA后的猪孤雌胚胎发育到2~4细胞期。挑选注射的20个2~4细胞期胚胎经过PCR扩增与产物测序后发现有12个胚胎的CD163基因的第7外显子的预期位点C(num1479)>T,单碱基编辑效率约60%。对CD163-sgRNA的off-target分析发现,在错配3个碱基的情况下该CD163-sgRNA有5个off-target区域,对这5个区域进行PCR扩增和sanger测序分析后发现都没有发生C>T的突变。本研究利用YE1-BE3-FNLS工具在胚胎水平上对猪的CD163基因进行了单碱基编辑,成功使得该基因第7外显子预期位点(num1479)C变为T,从而使得密码子CAA变为TAA,可提前终止CD163基因的翻译。

利用全基因组重测序分析鹿茸重量相关基因

茸角是鹿科动物特有的器官,具有重要的生物学意义。鹿茸生长是一个复杂的生物代谢过程,其重量与遗传因素有一定关联。本研究对饲养条件基本一致的5个梅花鹿(Cervus nippon)群体进行调查,获得高产和低产梅花鹿个体共100只,利用全基因组重测序分析这些个体与鹿茸重量相关的遗传变异。结果表明,共得到94个与鹿茸重量可能相关的遗传变异,其中有2个变异位点分别定位于OAS2和ALYREF/THOC4基因的外显子区,且ALYREF/THOC4基因在鹿茸中表达量很高。功能富集分析发现,这些遗传变异与鹿茸生长发育密切相关,可作为潜在的鹿茸重量相关遗传变异。本研究首次通过全基因组重测序直接筛选与鹿茸重量相关的遗传变异,并分析关联基因的生物学功能,对揭示鹿茸生长发育和鹿茸重量差异形成的遗传机制具有重要意义。