田志喜：大豆泛基因组研究进展

2024年2月22日，中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜课题组在《遗传》杂志“优博专栏”发表了题为“大豆泛基因组研究进展”综述文章。该综述总结了作物泛基因组的研究脉络，并且以大豆为例介绍了泛基因组研究的一般策略和研究内容，为研究者开展泛基因组工作提供了参考。

DOI: 10.16288/j.yczz.23-321

要点摘录如下：

使用单个基因组作为参考开展作物遗传与功能基因组研究，很可能低估研究对象遗传分化的程度并遗失诸多重要的遗传变异。
泛组学概念的应用从基因组层面延伸到如泛转录组、泛三维基因组等层面。
从头组装/比对组装基因组：单独基因组形式的泛基因组通常包含过多冗余的数据量和数据维度。而“参考基因组+额外序列”的方式对于泛基因组的组织并不直观有效，早期方法。
迭代式泛基因组：相较于从头组装的泛基因组整合度高，不引入额外序列，线性直观，早期方法。尽管减少了信息的冗余，也同时存在大量的信息丢失。
基于图论的泛基因组：采用图论的方式将参考序列与变异序列以节点方式存储，并且用边代表他们的连接关系。最大程度压缩了冗余信息，不直观。图基因组是泛基因组数据存储、调用、展示等综合性能最佳的形式。已开发vg (Variation Graph toolkit)、GraphTyper2、Giraffe、odgi (Optimized Dynamic Genome/Graph Implementation)、pggb (PanGenome Graph Builder)等工具，逐渐成为主流。
2011年，18个拟南芥的泛基因组，植物泛基因组研究的开端。

2014年野生大豆的泛基因组研究是植物中第一项明确泛基因组概念的工作。
2020年一项包含大豆属Soja亚属的野生、栽培大豆在内，26个大豆种质材料基因组、转录组及近3000份种质材料重测序的工作则更精准地描绘了大豆的遗传变异图谱，系统阐述了染色体结构变异在大豆演化/驯化中发挥的作用。
泛基因组包含的变异是否能反应物种群体水平的变异，是值得探讨的问题。
PAV是造成样品间基因组大小差异的主要来源。在大豆中结构变异在基因组重复序列区域显著富集，其中78.5%的PAV来自于DNA重复。
一些植物（大豆、番茄、黍）中序列重复事件可能是结构变异发生的重要驱动力，进而导致物种内基因组大小的波动。
大豆是首个实践了图泛基因组构建的植物，为后续作物的泛基因组研究开拓了新思路。将结构变异中重复序列占总长度90%的条目过滤，是有效的数据压缩、降低错误率的策略。
图泛基因组结合群体二代测序数据是作物中进行大规模结构变异检测的可行方法。

A：图泛基因组研究基本流程，包括群体测序筛选代表性样品、结构变异分析、图泛基因组构建、群体结构变异检测等；B~E：泛基因组视角下的大豆农艺性状、演化历程遗传机制认知，包括基因获得/缺失与种皮亮度(B)、基因融合与E3基因多态性(C)、染色体重排与种皮颜色(D)、结构变异对基因表达调控与种质分布(E)；F：异源多倍体大豆的冗余基因丢失与亚基因组偏好性。

位于基因区的结构变异可能造成基因开放阅读框(open reading frame，ORF)的改变，进而导致功能的丢失或分化。其中结构变异造成的转录本通读是一种较为特殊的情况，即由于序列丢失导致原本独立转录的基因融合为一个转录本。转录本通读引起的基因融合在基因进化过程中起到重要作用。
基因表达可能受到基因附近调控区序列变异的影响，进而导致农艺性状的变化。泛基因组结合转录组的研究策略能够深入挖掘由染色体结构变异导致的表达量差异，从而定位农艺性状的候选基因和变异。
物种多倍化后，往往会发生冗余基因的丢失，导致亚基因组的分化，这种分化通常具有偏好性。
三代测序直接检测结构变异结合底盘基因组构建图泛基因组的方法可能是更低成本及更便利的一种方式。
针对植物基因组特征，开发解决重复序列比例大、染色体结构变异复杂、基因组大小差异显著的算法和软件，将能够有效提升植物图泛基因组的精度和构建效率。

中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜课题组简介

中国科学院遗传与发育生物学研究所田志喜课题组成立于2010年。研究团队致力于大豆功能基因组研究和品种培育，以“中华大豆之崛起”为己任，在多维组学立体解析、农艺性状分子机制挖掘、分子育种等方面开展了全方位系统性的工作，取得了一系列重要理论和实践成果。在Cell、Nature Biotechnology、Nature Genetics、Nature Communication、PNAS、Genome Biology、Molecular Plant、Plant Cell、Plant Biotechnology Journal等期刊上发表论文90篇，总引用12,000余次，h指数39。其中ESI高被引论文14，平均单篇他引123.39次。多次应邀在Current Opinion in Plant Biology、Molecular Plant等期刊上撰写综述、评论文章。申请专利7项，培育新品种9个。团队承担科技部、农业部、国家自然科学基金委及中国科学院的一系列重大项目。获评2023年第四届中国科学院“科苑名匠”。