第五章基因组学与分子育种

1、第五章 基因组学与分子育种第一节 基本概念第二节 植物细胞基因组结构特点第三节 基因组图谱构建第四节 基因组测序第五节 功能基因组学第一节 基本概念 1 基因组genome：一个物种单倍体细胞一个物种单倍体细胞所含有的整套染色体，所含有的整套染色体，物种全部遗传信物种全部遗传信息的总和，包括核基因组和细胞器基因息的总和，包括核基因组和细胞器基因组。组。 植物基因组包括三部分：核基因组、线植物基因组包括三部分：核基因组、线粒体基因组、叶绿体基因组粒体基因组、叶绿体基因组2 基因组学genomicsgenomics 19861986年提出，至今年提出，至今2020年，已经发展成为年，已经发展成为遗

2、传学中最重要的分支学科。遗传学中最重要的分支学科。 定义定义：研究基因组结构、功能和进化的：研究基因组结构、功能和进化的科学。科学。以全基因组测序为目标的以全基因组测序为目标的结构基因组学结构基因组学（structural structural genomicsgenomics）弄清基因组中全部基因的位置和结构，为基因功能的弄清基因组中全部基因的位置和结构，为基因功能的研究奠定基础。其目的是建立高分辨的遗传图谱、研究奠定基础。其目的是建立高分辨的遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱。物理图谱、转录图谱和序列图谱。以基因功能鉴定为目标的以基因功能鉴定为目标的功能基因组学功能基因组学（funct

3、ional functional genomicsgenomics) ) 利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模利用结构基因组学提供的信息，以高通量，大规模实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统实验方法及统计与计算机分析为特征，全面系统地分析全部基因的功能。研究角度包括：生物学地分析全部基因的功能。研究角度包括：生物学功能、细胞学功能、发育学功能等功能、细胞学功能、发育学功能等。基基因因组组学学研研究究内内容容基因组学研究应该包括基因组学研究应该包括两两方面的内容：方面的内容：A.A.遗传图谱遗传图谱B.B.物理图谱物理图谱C.C.转录图谱转录图谱D.D.序列图谱序列图谱结结构构基基

4、因因组组学学A. A. 遗传图谱：遗传图谱：指基因或指基因或DNADNA标标记在染色体上的相对位置与遗记在染色体上的相对位置与遗传距离。通常用传距离。通常用cMcM表示（基因表示（基因或或DNADNA片段在染色体交换过程片段在染色体交换过程中分离的频率）。通过该图谱中分离的频率）。通过该图谱可分清各基因或可分清各基因或DNADNA片段之间片段之间的相对距离与方向，如靠近着的相对距离与方向，如靠近着丝粒或端粒丝粒或端粒. .水稻1号染色体B. B. 物理图谱物理图谱：指：指DNADNA序列上两点间的实际距离。用于序列上两点间的实际距离。用于确定各遗传标志间的物理距离有两种物理图谱：（确定各遗传标

5、志间的物理距离有两种物理图谱：（1 1）以已定位的以已定位的DNADNA序列标记位点（序列标记位点（STSSTS）为位标，以为位标，以DNADNA实实际长度为图谱距离的基因组图谱。（际长度为图谱距离的基因组图谱。（2 2）由）由YACYAC和和/ /或细或细菌人工染色体（菌人工染色体（BACBAC）连续克隆重叠群组成的物理图谱。连续克隆重叠群组成的物理图谱。A comprehensive rice transcript map containing 6591 expressed sequence tag sitesC. C. 转录图谱：转录图谱：以以ESTEST为位标，根据转录顺序的位置和距离

6、绘制为位标，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱，它是染色体的图谱，它是染色体DNADNA某一区域内所有可转录序列的分布图，某一区域内所有可转录序列的分布图，是基因图的雏形是基因图的雏形. .反映在正常或受控条件下能够表达的反映在正常或受控条件下能够表达的cDNAcDNA片片段数目、种类、结构与功能的信息段数目、种类、结构与功能的信息。D. 序列图谱序列图谱：以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。：以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。人人基因组基因组 1 1号染色体局部号染色体局部功能基因组学：基因功能预测功能基因组学：基因功能预测所要预测的基因类型所要预测的基因类型编码基因（编码

7、基因（protein-coding genes）假基因（假基因（pseudogenes）RNA基因（基因（functional RNA genes）-tRNAtransfer RNA-rRNAribosomal RNA-snoRNAsmall nucleolar RNA-snRNAsmall nuclear RNA-miRNAmicroRNA编码基因预测编码基因预测几类外显子（几类外显子（ exons）:- 非翻译区（非翻译区（noncoding）- 启始外显子（启始外显子（initial coding exons）- 中间外显子（中间外显子（internal exons）- 终止外显子（终止

8、外显子（terminal exons）- 单一外显子基因（单一外显子基因（some single-exon genes） 基因预测方法基因预测方法同源序列法同源序列法 Homology-based searches依靠以前鉴定的基因序列依靠以前鉴定的基因序列比较基因组学比较基因组学comparative genomics不同物种染色体同源区段进行比较不同物种染色体同源区段进行比较, 分析和预测基因功能分析和预测基因功能 第二节 植物细胞基因组结构特点 一 核基因组结构特点 1 由多条染色体组成，以染色质形态存于核内 2 遗传物质含量差异最大。1000多倍 3 无操纵子结构，基因以基因家族形式出

9、现。 4 非编码区多于编码区 5 基因不连续，为断裂基因 6 转录物为单顺反子 7 多个复制起点 8 符合孟德尔规律二 线粒体基因组的结构特点 1 DNA裸露，环状或线状 2 分子长度差异大，同一细胞内也有差异 3 非均一性 4 操纵子结构，为多顺反子 5 易发生变异 6 表达调控类似原核生物 7 只有一个复制起点 8 核外遗传，属母系遗传三 叶绿体基因组结构特点 1 DNA裸露，环状 2 遗传物质含量小，变化大 3 不含有5-甲基胞嘧啶 4 操纵子结构，为多顺反子 5 几乎所有核糖体操纵子基因顺序都一样 6 表达调控类似原核生物 7 只有一个复制起点 8 核外遗传，属母系遗传第三节 基因组图

10、谱构建遗传图谱遗传图谱（genetic map）物理图谱物理图谱（physical map）遗传图谱的构建方法遗传图谱的构建方法 v 理论基础理论基础: 连锁与交换连锁与交换v 基本方法基本方法: 两点测验法和三点测验法两点测验法和三点测验法植物遗传图谱的构建植物遗传图谱的构建v 选择研究材料（亲本）选择研究材料（亲本）v 构建分离群体构建分离群体v 遗传标记检测遗传标记检测v 标记间的连锁分析标记间的连锁分析选择亲本选择亲本 要求亲缘关系远，遗传差异大要求亲缘关系远，遗传差异大 但又不能相差太大以导致引起子代不育。但又不能相差太大以导致引起子代不育。 对备选材料进行多态对备选材料进行多态(

11、(差异差异) )性检测，综性检测，综合测定结果，选择有一定量多态性的一对合测定结果，选择有一定量多态性的一对或几对材料作为遗传作图亲本。或几对材料作为遗传作图亲本。构建作图群体构建作图群体 遗传标记的染色体定位遗传标记的染色体定位v 利用遗传学方法或其它方法将少数标记利用遗传学方法或其它方法将少数标记锚定在染色体上，作为确定连锁群的参锚定在染色体上，作为确定连锁群的参照系。照系。v 常用的方法：常用的方法： 单体分析单体分析 三体分析三体分析 代换系分析代换系分析 附加系分析附加系分析标记间的连锁分析标记间的连锁分析v利用在两个亲本间有多态性的标记分析利用在两个亲本间有多态性的标记分析分离群体

12、中所有个体的基因型分离群体中所有个体的基因型v根据连锁交换的情况，确定标记之间的根据连锁交换的情况，确定标记之间的连锁关系和遗传距离连锁关系和遗传距离v有计算机软件可以应用有计算机软件可以应用水稻遗传图水稻遗传图v 1994 1994年，水稻第一张高密度遗传图谱年，水稻第一张高密度遗传图谱 927 927个位点，个位点， 1383 1383个标记个标记v 1998 1998年，年，11571157个位点，个位点，22752275个标记个标记v 2000 2000年，年，32673267个标记个标记v 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传研究奠定了坚实的基础。研究

13、奠定了坚实的基础。物理图谱的构建物理图谱的构建v 用用分子生物学方法分子生物学方法直接检测直接检测DNADNA标记标记在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。物理图谱。v 有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？ 遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷v 分辨率有限分辨率有限v 人类只能研究少数减数分裂事件，不能人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体获得大量子代个体v 测序要求每个标记的间隔小于测序要求每个标记的间隔小于100100kbkbv 实际是实际是599599kbkb遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷 精确性不够精确性不

14、够 经典遗传学认为，交换是随机发生的经典遗传学认为，交换是随机发生的 基因组中有些区域是重组热点基因组中有些区域是重组热点 倒位、重复等染色体结构变异会限制交倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重组换重组酵酵母母遗遗传传图图与与物物理理图图比比较较A A 遗传图遗传图B B 物理图物理图物理作图的方法物理作图的方法1 1、限制酶作图、限制酶作图2 2、依靠克隆的基因组作图、依靠克隆的基因组作图3 3、荧光原位杂交、荧光原位杂交4 4、序列标签位点作图、序列标签位点作图限制酶作图（限制酶作图（restriction mapping）限制酶作图（限制酶作图（restriction mapping）

15、荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）遗传图与物理图的整合遗传图与物理图的整合v有些标记既是遗传标记，又是物理标记有些标记既是遗传标记，又是物理标记 RFLPRFLP标记标记 SSRSSR标记标记 某些基因序列某些基因序列

16、v借助这些标记可以将遗传图和物理图整借助这些标记可以将遗传图和物理图整合起来合起来第四节 基因组测序v有了高密度的基因组图谱，就可以开始全有了高密度的基因组图谱，就可以开始全基因组测序了基因组测序了v测序的技术飞速发展，现在可以全自动化测序的技术飞速发展，现在可以全自动化v测序的策略有两个：测序的策略有两个： 鸟枪法鸟枪法 克隆重叠群法克隆重叠群法鸟枪法（鸟枪法（shotgun sequencing）鸟枪法的优缺点鸟枪法的优缺点v优点：优点： 不需要高密度的图谱不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低速度快、简单、成本低v缺点：缺点： 拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域拼接组装困难，尤其在重

17、复序列多的区域v主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组因组克隆重叠群法（克隆重叠群法（clone contig）v 将基因组将基因组DNADNA切割长度为切割长度为0.10.1MbMb1Mb1Mb的的大片段，克隆到大片段，克隆到YACYAC或或BACBAC载体上载体上v 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克隆的序列隆的序列v 再装配、连接成连续的再装配、连接成连续的DNADNA分子。分子。v 这是一种自上而下（这是一种自上而下（up to downup to down）的测的测序策略序策略 v clone-by-cl

18、one methodclone-by-clone method两两种种基基因因组组测测序序策策略略The E.coli genome第五节 功能基因组学v 完成基因组测序，仅仅是基因组计划的完成基因组测序，仅仅是基因组计划的第一步，更重要的工作在于弄清楚：第一步，更重要的工作在于弄清楚： 基因组序列中所包含的全部遗传信息基因组序列中所包含的全部遗传信息是什么；是什么； 基因组作为一个整体如何行使功能。基因组作为一个整体如何行使功能。v就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功能基因组学的研究内容。就是功能基因组学的研究内容。 根据序列分析搜寻基因根据序列分析搜寻

19、基因 v 查找开放阅读框（查找开放阅读框（open reading frame, ORFopen reading frame, ORF）v 开放阅读框都有一个起始密码子开放阅读框都有一个起始密码子，ATGATG，还要有还要有终止密码子终止密码子。v 从从ATGATG开始，然后向下游寻找终止密码子。开始，然后向下游寻找终止密码子。v 起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被被3 3整除整除v 每一条链都有每一条链都有3 3种可能的阅读框，种可能的阅读框，2 2条链共计有条链共计有6 6种可能的阅读框种可能的阅读框. .v 计算机可以很快给出结果。计算机可以很快给出结果。同源查询同源查询v 利用已经存入数据