快速克隆基因(一)

昨天很重要,它構建了我們的記憶。

原文:

Jan Bettgenhaeuser, Simon G. Krattinger. Rapid gene cloning in cereals, Theoretical and Applied Genetics, 2018.

過去二十年,基因組學革命導致作物研究、植物育種、農業生產等領域發生了翻天覆地的變化,今天,主要的作物品種都有了自己高質量的參考基因組,大量的重測序和泛基因組研究正向我們揭示著新的種間與種內的多樣性,基因型與表型的關系。當克隆基因越來越容易,大而復雜的基因組不再是定位基因中難以攻克的壁壘,百邁客特別推出了<<快速克隆基因,您準備好了嗎?>>系列1,2,3,與您詳細解讀這篇文章。

ATCG不規則的排列組合組成了地球上近870萬個物種形形色色的遺傳物質,而解密其內在調控機制是生物工作者心心念念奮斗的目標。1977年,噬菌體ΦX174長達5375-bp基因組被第一個測序完成,基因組測序事業開始蓬勃發展,時至今日,NCBI收錄了超過6000個真核生物和150,000個原核生物的測序數據,其中包括禾本科。而基因組研究目的也從單純的科學研究向實踐應用發生著轉換。基因組學和生物技術相結合,包括標記輔助選擇,基因組選擇和基因編輯,已成為育種中不可缺少的工具,功能基因的定位和克隆將會把這種技術的結合作用發揮更大。

禾本科這個神奇的科屬,是全球大部分食品飼料來源,為我們提供了超過50%的卡路里,它包括小麥,大米,玉米,大麥,高粱和小米等。大約在4500萬至6000萬年前,現代谷物共享了一個共同的祖先,雖然禾本科植物親緣關系較近,但它們的基因組差異比較大,例如,水稻的基因組大小為380M,相當于小麥基因組的2.4%。今天,較多的作物基因組被測序,自2005年水稻基因組測序完成以來,高粱、玉米、大麥、珍珠粟、小麥基因組相繼測序完成,這些高質量的參考基因組是谷物遺傳學和基因組學研究中的里程碑。

那在基因定位中,參考基因組發揮著什么樣的作用?如下圖所示,自有參考基因組后,一個簡單的文獻檢索顯示有關水稻、擬南芥“基因克隆”的文章數量已經飆升,而2009年完成的2.3-Gb玉米基因組對克隆基因的數量影響貌似不是不大,這可能因為盡管有高質量的可用性參考序列,大基因組仍然是基因克隆的主要障礙。參考序列只是基因組功能的一個墊腳石,在擁有大而復雜的基因組的物種中仍然需要創新的定位方法。

將植物的表型變異與基因組差異聯系起來,一直是植物研究和育種中的永恒命題,隨著分子標記技術的出現和復雜的統計工具的使用,解剖復雜性狀的遺傳變異成為可能。目前使用最多的兩種方法為QTL定位和GWAS分析,隨著DNA測序的發展,早在20世紀90年代和21世紀初,涌現出RFLP,SSR,SNP等多種不同的分子標記。QTL分析和GWAS均是尋找與性狀連鎖的分子標記,盡管這兩種方法較難直接定位到基因,但對鑒定主要的QTL還是很準確的。圖位克隆也是定位基因的有效方法,利用染色體步移的方法縮小候選基因區段。例如水稻中抗病基因Xa21的克隆。Xa21來源于非洲野生稻,1992年,應用RFLP和RAPD標記將Xa21定位到11號染色體1.2-cM處。1995年利用連鎖標記篩選BAC文庫,將Xa21定位至9.6kb區段內找到了功能基因。Xa21最早是發現于1985年,而它的定位克隆完成發生在10年后,由此來看,圖位克隆是定位基因的有效方法,但在沒有參考基因的情況下,還是很費時費力費成本的。

而現在的我們,應用了什么樣的方法,去提高這種效率呢?請持續關注后面的分享。

 

參考文獻:

  • Ni J,Pujar A,et al. Gramene QTL database:development, content and applications. Database 2009
  • Wang GL, Holsten TE,et al .Construction of a rice bacterial artifcial chromosome library and identifcation of clones linked to the Xa-21 disease resistance locus.Plant J,1995
  • Jan B, Simon G,Rapid gene cloning in cereals,Theoretical and Applied Genetics ,2018
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