草莓好吃，但草莓基因組你知道嗎？

180+篇植物基因組文章解讀大全

第三章 薔薇科

地表最強植物基因組文獻解讀，正在繼續。科技君和小夥伴們特地對植物基因組領域已發的180多篇高質量文章進行收集、解讀和歸類，經歸納整理後共分十章，前九章為相關領域已發表物種文獻解讀，最後一章為植物基因組未來發展趨勢及預測。

第三章往期回顧

導讀

春節前後正值草莓上市的季節，大大小小的草莓，品種繁多，挑得人們眼花繚亂。草莓的果肉色澤紅潤，味道酸甜可口，營養價值高，還有保健功效。如今，我們能夠品嘗到這些優質的栽培草莓，很大程度上得益於科學家們的不斷努力。今天科技君為大家準備栽培草莓基因組文章，這樣大家在享用草莓的同時也能知道自己吃下了「多少基因組」。

本文中，研究人員破譯了八倍體栽培草莓F. x ananassa基因組，並與5種野生草莓基因組（F. iinumae、F. nipponica、F. nubicola、F. orientalis和F. vesca）進行了全基因組比較分析，這一研究成果將有助於培育品質更優良的栽培草莓。

文獻題目：Dissection of the Octoploid Strawberry Genome by Deep Sequencing

of the Genomes of Fragaria Species

發表期刊：DNA Research

發表時間：2013年11月26日

影響因子：5.404

摘要介紹：草莓是一種全球廣泛消費的作物，屬於薔薇科，其中草莓屬包含1種栽培草莓和24種野生草莓。野生草莓一般為二倍體和四倍體，栽培草莓Fragaria x ananassa是由兩種八倍體野生草莓F. virginiana和F. chiloensis自然雜交而得。早在2010年，科學家們就已破譯了二倍體野生草莓（Fragaria vesca）基因組，但栽培草莓基因組的破譯工作在當時一直沒有進展，二倍體草莓基因組到八倍體草莓基因組的進化歷史也存在著爭議。

栽培草莓（F. x ananassa）是八倍體，自花授粉。本研究主要通過高通量測序技術對1種栽培草莓和4種野生草莓進行全基因組測序和組裝，然後對栽培草莓基因組與野生草莓種F. iinumae、F. nipponica、F. nubicola和F. orientalis基因組進行比較來研究栽培草莓基因組。在該研究中，科學家們獲得了698Mb的栽培草莓基因組序列，和4種野生草莓基因組序列，分別為200Mb、206Mb、204Mb、214Mb；還通過對栽培草莓基因組序列進行整合處理後獲得了173Mb的虛擬參考基因組序列。並對栽培草莓和野生草莓進行基因注釋，分別得到了230,838、76,760、87,803、85,062、99,674個基因。SSR構建的系統發育樹結果顯示野生草莓（F. vesca）是栽培草莓（F. x ananassa）親緣關係最近的二倍體物種。通過栽培草莓與野生草莓的基因組比較分析發現F. vesca和F. iinumae作為祖先物種對F. x ananassa的貢獻一樣多，與歷史研究報道的結論一致。

內容簡析

研究方向：

1. 栽培草莓基因組de novo研究；

2. 4種野生草莓基因組de novo研究；

3. 栽培草莓與野生草莓基因組比較分析；

研究難點：

1. 八倍體基因組中亞基因組間的同源性使得基因組十分複雜，另外，栽培草莓異型雜交的行為使得基因組中產生了大量的雜合位點，這都大大增加了組裝的難度。

2. 由於栽培草莓基因組的複雜性，組裝存在很大障礙。因此，科學家們嘗試通過整合染色體同源區域和雜合區域來構建栽培草莓的虛擬參考基因組序列。

研究問題：

1. 栽培草莓F. x ananassa基因組；

2. 栽培草莓與野生草莓基因組的關係；

研究方法

研究對象：

栽培草莓F. x ananassa；

野生草莓F. iinumae,F. nipponica,F. nubicola,F. orientalis,F. vesca；

所用軟體：

估計基因組大小--Jelly?sh ver. 1.1.6；

組裝和補洞--Newbler 2.7、SOAPdenovo v1.05、GapCloser 1.10；

比對軟體--BLAT、BLASTN、BLASTX、MEGABLAST；

片段分析--GeneMapper；

所用數據：

栽培草莓F. x ananassa基因組序列；

野生草莓F. iinumae、F. nipponica、F. nubicola、F. orientalis 和F. vesca基因組序列；

草莓屬基因組多態性數據（24 Fragaria accessions）；

所用資料庫：Repbase、Gypsy Database 2.0；

實驗過程：

F. x ananassa：用植物DNA試劑盒提取日本品種『Reikou』後代S1 的嫩葉DNA，做全基因組DNA進行測序；

F.iinumae、F.nipponica、F.nubicola和F.orientalis：用植物DNA試劑盒提取物種嫩葉DNA，對全基因組DNA進行測序；

研究結果

研究成果：

1. 對1種栽培草莓和4種野生草莓進行全基因組測序，分別得到277G、71G、72G、74G和75G reads。分別對reads進行組裝，獲得了栽培草莓八倍體基因組和4種野生草莓基因組序列，總長分別為698Mb、200Mb、206Mb、204Mb、214Mb。對栽培草莓和野生草莓進行基因注釋，分別得到了230,838、76,760、87,803、85,062、99,674 個基因。基因組重複序列比例分別為47.1%、31.7%、25.5%、24.5%、26.3%。其中栽培草莓基因組重複序列是野生草莓F. vesca重複序列的6.4倍，可能是由於基因組的高雜合，重複序列被過高估計了。

2. 構建虛擬參考序列。通過測序平台對栽培草莓進行全基因組測序，得到2.6G 454 reads；用454 reads和Illumina reads 分別進行組裝，然後用Illumina reads得到的scaffolds、contigs、singlets與454 reads得到的scaffold進行整合得到栽培草莓虛擬參考基因組序列（FANhybrid_r1.2），總長173Mb，預測到45,377個基因。

3. 由632個SSR marker構建系統發育樹，結果顯示野生草莓（F. vesca）是栽培草莓（F. x ananassa）親緣關係最近的二倍體物種。

4. 將栽培草莓虛擬參考基因組序列與栽培草莓（F. x ananassa）基因組序列，野生草莓種（F. iinumae,F. nipponica,F. nubicola,F. orientalis和F. vesca）基因組進行比較，發現F. vesca和F. iinumae作為祖先對F. x ananassa的貢獻一樣多，與歷史研究報道的結論一致。

圖1 野生草莓基因組的虛擬參考序列（FANhybrid_r1.2）的組裝方法流程圖

圖中黑色背景框中表示最終的虛擬參考序列，由454 reads組裝的結果和Illumina reads組裝的結果整合得到。其中454數據組裝結果通過採用軟體Newbler 2.7選擇雜合模式進行組裝，並用軟體進行補洞得到。

圖2 左邊為數據組裝得到的野生草莓基因組序列與栽培草莓虛擬基因組序列（FANhybrid_r1.2）比對的位置和覆蓋度展示；右邊為5個野生草莓與栽培草莓虛擬基因組序列（FANhybrid_r1.2）最優比對的頻率；中間為栽培草莓虛擬基因組序列（FANhybrid_r1.2），黑色條紋為虛擬基因組序列與野生草莓F. vesca (v1.1) Chr1的同源序列。

表1 栽培草莓和4種野生草莓基因組組裝統計結果

該表格分別統計了總的scaffold數、總序列長度、scaffold 序列平均長度最長的scaffold長度、scaffold N50以及A、T、C、G、N含量和GC含量比例。從表中可看出，栽培草莓八倍體基因組的組裝長度約698Mb，接近估計的基因組大小692Mb，栽培草莓基因組合併處理後得到的虛擬參考序列約173Mb，而4個野生草莓基因組的組裝長度分別為200Mb、206Mb、204Mb、214Mb。栽培草莓和野生草莓基因組的GC含量基本在38.1%~39.1%之間，GC含量相差不大。

【參考文獻】

Hirakawa, H.et al. Dissection of the octoploid strawberry genome by deep sequencing of the genomes of Fragaria species.DNA research:an international journal for rapid publication of reports on genes and genomes21, 169-181, doi:10.1093/dnares/dst049 (2014).

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