我国完成世界首个梨基因组测序
科技日报,2013-03-21
如果说基因组是一本书，那么它的每一页都书写着生命的奥秘；如果说基因组是一张图，那么它的每一笔都描绘出了生物的特性； 如果说基因组是一个世界，那么它展现了这一物种进化的漫长历史……
人类开始进行基因组学研究，短短二十几年间已完成了许多物种的基因组图谱绘制。仅就水果而言，继2007年葡萄、2008年番木瓜、2010年苹果和2011年草莓的基因组公开发表，2012年5月梨的基因组精细图谱也由南京农业大学梨工程技术研究中心张绍铃教授学术团队牵头领衔完成。其研究成果“The genome of pear（梨的基因组） (Pyrus bretschneideri Rehd.)”于今年2月在国际基因组研究的权威刊物《Genome Research》（《基因组研究》）上正式发表。
这是全球首个梨基因组及其基因遗传密码的成功解密，该研究不仅为进一步解析梨的包括产量、品种等在内的重要农艺性状提供良好的基因数据平台，同时也将为指导和培育高产、优质和抗病的梨新品种奠定坚实的遗传学基础。
没有基因组，科研好比盲人摸“梨”
梨是蔷薇科的重要果树树种，据记载有3000年以上的栽培历史。长期以来，由于对梨的遗传信息知之甚少，科学家们对梨的研究和品种选育，就像是“盲人摸象”。
梨基因组计划的第一执行人吴俊教授说：“在未知基因组的情况下研究就像是瞎子摸象，靠直觉、靠运气，不能做到高瞻远瞩地去设计科研和开展育种。在梨基因组精细图谱测序成功之前的科研是：当其他植物上发现了一个基因，我们就看看梨上有没有类似基因，再看看有什么功能，所以以往的研究多是跟着别人走，没有太大的创新，而现在则摸清楚了家底。”
可是摸清一个梨品种的家底又有什么意义呢？其实，物种的基因组成上有很大的相似性。有些物种，看似不同的性状，但控制这一性状的基因在不同个体中是一样存在的，只是控制这些基因的开关有开有合。有些看似完全不同的两个物种，例如同属蔷薇科的苹果和梨，同源基因的相似度可达到80%以上或者更高。
因此，完成的梨基因组遗传信息不仅为其他梨品种的生物学研究积累了良好的数据基础，同时也为开展蔷薇科果树的比较基因组学、系统进化以及基础生物学研究提供了宝贵的信息资源。结合新兴的生物信息学研究手段，以及蔷薇科其他物种的基因组遗传信息不断扩大，将为科学家们探究蔷薇科物种的染色体进化和物种形成、基因家族及功能进化等问题提供重要的数据平台；同时，在梨上开展的生物学研究结论也将为其他未开展基因组学研究的物种，提供良好的借鉴和启发。
注释4.2万个基因，为育种提速
果树不同于我们常吃的水稻，水稻一代出一次种子，一年能出2—3代，育种周期短，育种效率高。而果树则有3—5年，甚至更长的童期（类似于人类的未成年期），此时果树尚未开花结果，果实相关的性状无法知晓，因此选育一代果树少则也需要5年左右的时间，而选育成功至少需要10年左右的时间。
加上传统的果树新品种选育方式往往还受制于生长周期、环境、气候等多方面原因，一些老一辈的果树学家一生可能只能培育一个成功的新品种，如果方向没选对甚至几十年下来仍然是“竹篮打水一场空”，从而导致了科研效率低下，进展缓慢。比如目前市面上畅销的一些梨品种，就是在上世纪五六十年代选育的，而选育这些品种的专家们早已退休了。
“如果现在选育梨新品种还像过去那样搞个三五代，我们到退休了也可能没什么新成果。”张绍铃教授笑着说。基因科学和测序技术的大幅进步，和消费者对农作物品质要求的不断提升，使得我们这一代的科研人员不能再像过去那样进行传统方式的品种选育。
据了解，科学家已经注释了梨的4.2万个基因，这些基因遗传信息为快速实现基因克隆和功能研究提供了充足的数据资源。所开展的重要性状基因或代谢通路研究，将为梨其他重要农艺性状的研究提供很好的技术贮备和研究思路。同时，也为培育高产、优质和抗病的梨新品种奠定良好的遗传学基础。
现在有了这个基因图谱，我们不禁可以设想这样一幅场景：当梨树还在童期，仅仅是幼苗的时候，通过扫描我们就能知道它有什么优良基因，将来可能会有什么优良性状，从而把不符合要求的树苗淘汰掉，而不必辛辛苦苦栽培数年，等到树苗长大、开花、结果才知道这些杂交苗究竟能结出什么样的果子。
其实，现在国外很多农作物的育种已经走上了这样的道路——分子育种。由于有基因谱图的辅助，因而育种效率很高。“有基因信息更便于分子育种，实现了有预知的育种、有目标的育种。”张绍铃教授说，“之前由于没有这个平台，很多工作无法实施。今后我们的工作重点是将基因组信息运用到实际中。”
研究策略“别出心裁”，把基因组分成小段
梨是高度杂合的物种，其自交不亲和、排斥近交等特点使其保持了杂种优势，不容易出现自我繁殖造成的退化，这对进化来说是好的，可对生产和研究则是头疼的事。由于杂合度很高，不断有新的遗传基因引入，使得遗传信息组建上有困难。
作为此次研究样本的“砀山酥梨”，由于其基因组杂合度达到1%，属于复杂基因组，同时还包含了大量的重复序列，因此使得常用的WGS测序组装策略不适用。所以，研究人员在这次测序中首次应用了新一代lllumina测序平台结合BAC-by-BAC策略，其中BAC-by-BAC策略是这次测序成功的关键。BAC-by-BAC策略最先是运用在海洋生物的基因组研究上的，而用在高等植物上，这次尚属首例。该方法实现了在没有物理图谱辅助的情况下，高质量地完成了高杂合、高重复序列的二倍体果树基因组组装。所形成的组装技术和经验，对于其他果树或高度杂合的高等植物基因组研究具有很好的借鉴价值。
简单来说，BAC-by-BAC的策略就是把梨的基因组分成小段，然后插入基因载体（大肠杆菌的基因）中，由于载体基因序列已知，因此通过检测重组基因就可方便地找出插入基因——梨基因片段，由于科研人员将整个基因序列分成了3万8千个，相当于10倍基因组的长度，所以再通过相互叠加的测序验证，从而避免了组装工作所造成的混乱。
基因组比较，追寻苹果和梨的“前世今生”
通过对梨基因的测序和与苹果基因组的比较研究，南京农业大学的科研人员将苹果与梨的分化追溯到540万到2150万年前，并且明确了两者在基因组大小上的差异主要是由重复序列引起的，而基因区十分相近。通过基因注释在梨基因组中共鉴定出396个与抗病相关的基因，发现超过30%的R基因都富集在特定的基因组区域，表明抗性基因的进化可能与基因家族的串联复制和分化相关。
同时，结合基因表达谱研究，进一步揭示了梨的自交不亲和性、果实石细胞代谢、糖代谢、香气形成等重要栽培性状的分子特征和调控机制。例如，作为梨果实特有的石细胞合成代谢通路，其合成木质素多少对果实品质影响较大，是梨品质高低的重要衡量因子。通过基因组学研究，进一步明确了梨的石细胞合成过程中，在果实发育初期高量表达的HCT、C3’H和CCOMT基因导致了梨果实G型和S型木质素的形成，从而促进了石细胞的积累，最终影响了果实品质。研究还明确了梨主要糖运输形式山梨醇代谢相关基因呈现扩张趋势，表现出基因复制提高适应性；而α-亚油酸是梨果实香气形成的主要代谢通路。
延伸阅读
来自竞争对手的邮件：你们把我们打败了
“我们在2009年的时候就有过做这项研究的打算，但是当时的测序费用太贵，完成这项研究需要1000多万元，超出了我们的承受能力。后来随着测序技术的改进和费用的大幅度下降，才使我们开展梨的基因组学研究从梦想变成现实。科研是不等人的，机遇失去了就不会再来。在我们论文在线发表的当天晚上，我就收到了来自国外竞争对手——对西洋梨进行测序的新西兰、意大利合作课题组的邮件，他们写道‘你们把我们打败了’！”吴俊教授说。
梨的基因组计划从2010年4月开始到2012年5月对外发布数据，这项研究前后整整花了两年的时间。南京农业大学梨研究团队在多年开展梨学研究的基础上，通过对多个候选梨品种资源的分子评价，最终选择了以亚洲梨、也是世界及我国的第一大栽培品种“砀山酥梨”（又名酥梨）为研究试材。
2010年4月由南京农业大学梨工程技术研究中心张绍铃教授团队牵头组织了国际梨基因组计划协作组，参与合作的国内外单位包括：深圳华大基因科技有限公司，浙江省农科院，河北省农科院石家庄果树研究所、美国伊利诺伊大学，美国乔治亚大学，美国夏威夷大学，以及日本的东北大学共8家单位，参与项目研究的人员包括从事基因组研究的多个专家和研究团队成员共60余人。
“很多国家都在尝试梨的基因测序，如新西兰、美国、日本，但是都没有成功。”吴俊教授说，“之前已经测出苹果基因组的意大利、美国合作科研组，根据苹果和梨的高同源性，而以苹果作为参考来测序梨的基因组，然而最后还是失败了。”
