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国际马铃薯和番茄基因组测序进展


园 2008, 35 ( 10 ) : 1545 - 1549 艺 学 报 Acta Horticulturae Sinica

国际马铃薯和番茄基因组测序进展
贺 , 张忠华 , 李 , 杜永臣 , 屈冬玉 , 黄三文 俊 颖
(中国农业科学院蔬菜花卉研究所 , 北京 100081 )
3

/>摘 : 国际番茄基因组项目计划精细测定 220 M b的常染色质区域 , 马铃薯基因组项目计划测定全基 要 因组 840 M b的 DNA 序列 .中国是两个项目的参与国 , 负责番茄染色体 Ⅲ, X I和马铃薯染色体 X, X I的测 序工作 .基于番茄和马铃薯基因组间存在着高度的相似性 , 在二者染色体 X I测序的同时运用了比较测序的 方法 . 关键词 : 番茄 ; 马铃薯 ; 基因组测序 ; 比较基因组学

In terna tiona l Pota to and Toma to Genom e Sequenc in g Projects and The ir Curren t Sta tus in Ch ina
HE Jun, ZHANG Zhong2hua, L I Ying, DU Yong2chen, QU Dong2yu, and HUANG San 2 wen
( Institu te of V egetables and F low eres, Ch inese A cadem y of A g ricu ltu ra l S ciences, B eijing 100081, Ch ina )
3

因组进行精细测序 , 为茄科植物提供参考基因组 , 从而推动茄科植物的整体研究 .马铃薯是茄科中最 重要的粮食和经济作物 , 国际马铃薯基因组项目 ( PGSC, http: / /www1potatogenome1 net) 致力于全 面解读马铃薯全基因组的遗传密码 .中国在这两大基因组项目中都扮演了重要角色 , 分别负责番茄染 色体 Ⅲ, IX 和马铃薯染色体 X, IX 的测序工作 .本文介绍这两大基因组项目的概况及其研究进展 .

收稿日期 : 2008 - 05 - 19; 修回日期 : 2008 - 09 - 01 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 30671319) ; 中荷园艺作物基因组分析联合实验室运行项目 ( 1251601001) ; 国家 '973 '项 目 ( 2006cb101907) ; 中荷战略联盟项目 ( 2004CB720405) ; 科技部国际科技合作项目 ( 2007DFB30080) 3 通讯作者 Author for correspondence ( E 2 mail: huangsanwen@ caas1 net1 cn) 致谢 : 感谢北京华大基因中心刘龙飞 , 任媛媛 , 王海印等为本文提供的帮助 .

Abstract: The International Solanaceae Genome Project ( SOL ) aim s to obtain the sequence of comp lete 220 M b euchrom atin portion of tomato genome, expecting that portion containing the majority of genes, while the Potato Genom e Sequencing Consortium ( PGSC ) ai s to obtain the sequence of the 840 M b of potato ge2 m nome. China participates both of the tom ato and potato genome p rojects taking responsibility of chromosom e Ⅲ, X I of tomato and chromosome X, X I of potato. Based on the discovery of highly degree of sim ilarity of to2 mato and potato genom es, comparative sequencing p lays an important role when we work on the chromosom e X I of tomato and potato sim ultaneously . Key words: tomato; potato; genom e sequencing; comparative genom ics

1 国际番茄基因组测序计划及进展

番茄基因组有 12 条染色体 , 总大小约为 950 M b ( A rumuganathan & Earle, 1991; M ichaelson et al , 1991 ) .番茄是二倍体 , 生育周期短 , 转基因技术成熟 , 遗传学和基因组学资源丰富 , 并且有一 .

番茄是茄科的模式作物 , 国际茄科基因组项目 ( SOL , http: / / sgn1 cornell1 edu ) 决定选取番茄基

中图分类号 : S 532; S 64112 文献标识码 : A 文章编号 : 0513 2 353X (2008) 10 2 1545 2 05

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套高密度的分子标记遗传图谱 ( Tanksley et al , 1992; B roun & Tanksley, 1996; Sulim an 2Pollatschek et . al , 2002; Feingold et al , 2005 ) .通过 EST (表达序列标签 ) 及少量 BAC (细菌人工染色体 ) 的测 . . 序分析 , 估计番茄基因组包含 38 000 多个基因 ( van der Hoeven et al , 2002; W ang et al , 2006 ) . . . 揭示番茄常染色质区域 DNA 的精确序列 , 是 SOL 第 1 个重要目标 (M ueller et al , 2005 ) . . 在番茄基因组中 , 基因的分布高度偏向于常染色质区域 .虽然这些区域占基因组 DNA 总量不足 25% ( Peterson et al , 1998 ) , 却包含了绝大多数蛋白质编码基因 ( van der Hoeven et al , 2002; . . W ang et al , 2006 ) .出于成本考虑 , SOL 番茄测序项目并不测定基因组的全长 ( 950 M b ) , 而是测定 . 约 220 M b的常染色质区域 (M ueller et al , 2005 ) .为了获得高质量的序列 , 番茄基因组测序采取 . BAC 到 BAC (BAC 2by2 BAC ) 的基本策略 .以番茄 S olanum lycopersicum var Heinz 1706 为材料 , 先后 . 建立了 H in d Ⅲ, M bo I和 EcoR I酶切消化的 BAC 文库 ( B udim an et al , 2000 ) .这些文库的克隆末端 . 序列 (BES) 已经被测定 .BAC 文库的 FPC ( finger p rinted contigs) ( Soderlund et al , 1997 ) 物理图 . 谱也已绘制 ( http: / /www.
genom e. arizona. edu / fpc / tomato ) .测序基于 S. escu len tum LA925 × S.
pennellii LA716 杂交型的 F2 2 2000 遗传图谱 ( http:

重叠寡核苷酸杂交 ( Cai et al , 1998 ) .以被杂交上的 BAC 作为候选种子 BAC, 在其中挑选带目的区 .

域标记的克隆进行验证 , 通过验证之后就可以作为种子 BAC 测序 .随后从被测种子 BAC 出发 , 利用 BAC 末端序列数据库及 FPC 物理图谱向两端延伸 .另外 , 荧光原位杂交 ( fluorescence in situ hybrid2 番茄基因组常染色质区域测序任务由中国 ,美国 ,荷兰等 10 个国家联合承担 . 12 条染色体 ( Ⅰ ~Ⅻ) 分工如下 : 美国 ( Ⅰ, Ⅹ ) , 韩国 ( Ⅱ ) , 中国 ( Ⅲ, Ⅺ ) , 英国 ( Ⅳ ) , 印度 ( Ⅴ ) , 荷兰
( Ⅵ) , 法国 ( Ⅶ) , 日本 ( Ⅷ) , 西班牙 ( Ⅸ) , 意大利 ( Ⅻ) .BAC 的测序进程按 NCB I标准划为不

同的状态 , 分别为 Phase 1, Phase 2 和 Phase 3.在总共约 2 500 个 BAC 的任务中 , 测序已经完成的 BAC 有 681 个 , 还在测序过程中的约 308 个 .至 2008 年 3 月 , 全部测序任务大约已完成 28% (见表 序进展最快 .中国承担的两条染色体中 , Ⅲ 号测序由中国科学院负责 , Ⅺ 号测序由中国农业科学院负 责 , 因接手时间较短 , 目前进展还较为落后 .另外 , 叶绿体序列已测定 , 线粒体将由阿根廷测序 .
表 1 国际番茄基因组测序项目进展

BACs

总数 Total 测序中 In p rogress 测序完成 Comp lete 已发布 Available
Phase 1 Phase 2 Phase 3

完成率 / %

Comp lete percentage

: BACs: 细菌人工染色体数 ; Chr: 染色体 .测序过程中 BAC 按照 NCB I制定的标准划为 3 个阶段 .数据至 2008 年 3 月 .下同 . 注
Note: BACs: Bacterial artificial chromosomes; Chr: Chromosome. The BACs in sequencing p rocedure are defined into three phases as the stand of NCB I ( 2008 - 03) . The same below.

1, 番茄测序进展发布于 SGN: http: / / sgn1 cornell1 edu ) .在 12 条染色体中 , 染色体 Ⅳ 和染色体 Ⅷ 测
Table 1 Curren t sta tus of in terna tiona l toma to genom e sequenc in g Chr Ⅰ Chr Ⅱ Chr Ⅲ Chr Ⅳ Chr Ⅴ Chr Ⅵ Chr Ⅶ Chr Ⅷ Chr Ⅸ Chr Ⅹ Chr Ⅺ Chr Ⅻ 合计 Total 391 268 159 274 193 111 213 152 126 107 277 175 128 127 164 186 135 113 2 500

2 国际马铃薯基因组测序计划及进展

ization, F ISH ) 分析被用于确认 BAC 在染色体上的位置 , 并揭示常染色质和异染色质的边界 ( Peter2 son et al , 1999 ) . .
8
11 19

2
91

20 15

52 87

47 20 42 26 20 35

5

0 0 0
15

105

5 0
14

0 0 9
40

0 0
56

0

0
27 53

103

3

4

马铃薯基因组大小约 840 M b (A rumuganathan & Earle, 1991 ) .测序项目采用与番茄相似的 BAC 2

/ / sgn1 cornell1 edu ) .约 1 500 多个分子标记被用于
92 53 63 36 21 28

5

10 65 57 13 30 18 34

100

0 2
84 66

1 4 4 0 0 4 2

13 18 10 17 11

58 17 50 21 11 18 34

313 702 754 210 115 350

6 1

10 期

贺 俊等 : 国际马铃薯和番茄基因组测序进展

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得基因组 DNA , 用限制性内切酶 H in d Ⅲ EcoR I消化 , 建立了包含 78 000 多个克隆的高质量 BAC 文 和 库 , 并测定了 BAC 末端序列 .利用 AFLP技术 , 绘制了这些克隆的指纹图谱 , 进而构建了 RH 基因组 的 FPC 物理图 .根据马铃薯 SH83 2 2 92 488 × RH89 2 2 群体超高密度遗传图谱上的分子标记 ( van 039 16 O s et al , 2006 ) , 通过 AFLP技术整合遗传图谱和物理图谱 .BAC 克隆重叠群 ( Contig) 被逐步锚定 . 到 12 条染色体上 .从被锚定的 Contig中挑选种子 BAC, 采用鸟枪法获得精确序列 , 然后结合 BAC 末 端序列及 PFC 物理图谱 , 将种子 BAC 向两端延伸 , 直至覆盖整条染色体 .
PGSC 集合多个国家共同绘制马铃薯全基因组核酸序列图 ( http: / /www1potatogenom e1 net) .分
表 2 国际马铃薯基因组测序项目总体进展
Table 2 Curren t sta tus of in terna tiona l pota to genom e sequenc in g project Chr Ⅰ Chr Ⅱ Chr Ⅲ Chr Ⅳ Chr Ⅴ Chr Ⅵ Chr Ⅶ Chr Ⅷ Chr Ⅸ Chr Ⅹ Chr Ⅺ Chr Ⅻ 合计 Total 834 661 661 867 644 611 636 818 694 842 710 421 8 400 1 063 29113 2818 2818 9918 1115 22611 10416 2717 3916 8012 1116 4217 7419 1016 1813 3419

工如下 : 荷兰 ( Ⅰ, Ⅴ) , 印度 ( Ⅱ) , 巴西 ,智利 ,秘鲁和阿根廷 ( Ⅲ) , 英国和爱尔兰 ( Ⅳ) , 美 国 ( Ⅵ) , 波兰 ( Ⅷ) , 新西兰 ( Ⅸ) , 中国 ( Ⅹ, Ⅺ) , 俄罗斯 ( Ⅻ) .另外 , 第 Ⅶ 号染色体还没有

承担 的 国 家 .至 2008 年 3 月 , 各 进 展 见 表 2 (数 据 源 于 http: / /www1potatogenom e1 net/ ! @ StatusPane1 htm l) .
BACs

目标 Target 完成 Comp lete 完成率 / %

Comp lete percentage

番茄 , 但是距离总目标的完成还有大量的工作要做 .项目发起国荷兰测序最多也最快 .中国对染色体
X I测序进展也比较快 .

和 X I号两条染色体测序任务 .在番茄基因组测序项目中 , 中国的任务是第 Ⅲ X I号染色体 .除番茄 和 染色体 Ⅲ 由中国科学院 ( CAS) 承担外 , 其余 3 条染色体均由中国农业科学院 ( CAAS) 负责完成 . 马铃薯第 X 号染色体上很多控制块茎性状的基因与番茄控制果实性状的基因相同 .在马铃薯第
X I号染色体上已经定位了 20 多个抗真菌 ,细菌 ,卵菌 ,病毒和线虫的基因 , 并克隆了抗马铃薯晚疫

病的 R 3 a 基因 ( Huang et al , 2004, 2005; A rm strong et al , 2005 ) .为了便于和马铃薯对应染色体 . . 的比较测序及比较基因组学的分析 , 优先对番茄和马铃薯的染色体 X I展开了测序工作 .
312 中国番茄和马铃薯基因组测序进展

测序文库克隆的平均长度计算 , 大约相当于 592 个 BAC 的长度 .因为需要重叠测序进行拼接 , 需要 测的 BAC 总数多达 710 个 .随着马铃薯遗传 — 物理图谱整合工作的逐步完善 , 相继 14 个 " 种子
BAC "被选出 .用番茄染色体 X I上所测 BAC 的序列与马铃薯序列 BAC 末端序列进行对比 , 另外还

挑选出 4个 BAC. 这些 " 种子 BAC" 测序之后 , 用 BAC 末端序列工具软件 ( http: / / secure1potatogenome1net/ tombola / ) 对其序列进行分析 , 搜索与已测得的序列部分重叠的 BAC.然后参考这些搜索到的 BAC 在
FPC 物理图谱的信息 , 从中挑选进行延伸测序的 BAC.这样 , 从 " 种子 BAC "出发 , 共有 42 个延伸

311 中国番茄和马铃薯基因组计划

by2 BAC 技术策略 , 将测序马铃薯全基因组 .从二倍体马铃薯材料 RH89 2 2 039 16 (以下简称为 RH ) 获

由于马铃薯计划测定全基因组 , 所测 BAC 数将是番茄的 3 倍多 .虽然得到序列的总 BAC 数超过

3 中国番茄和马铃薯基因组测序进展

在马铃薯基因组测序工作中 , 除了项目发起方荷兰以外 , 中国是第一国际参与方 , 承担了第 X

马铃薯染色体 X I遗传图包括 86 个 B in ( van O s et al , 2006 ) , 物理大小约为 71 M b 碱基对 .按 .

414

414

3511

1711

414

418

511

414

1217

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园 艺 学 报

35 卷

BAC 被挑选 , 随后被验证并投入测序流程 .目前 ( 2008 年 3 月 ) , 中国在该染色体上已经拥有完成拼

接的 BAC 24 个 , 还在继续测序中的 BAC 有 36 个 .另外 , 荷兰在该染色体上测了 8 个 BAC.马铃薯 基因组测序动态进展参见 http: / /www1potatogenome1 net/ ! @ StatusPane1 htm l. 基因的注释等方面提高了效率和准确性 . 番茄基因组只需要测序常染色质区域 , 135 个 BAC 就可以覆盖染色体 X I .根据寡核苷酸杂交 ( overgo hybridization ) 的锚定信息 , 一些 BAC 的荧光原位杂交 ( F ISH ) 定位数据以及与马铃薯 BAC

序列的比对结果 , 中国农业科学院挑选了 " 种子 BAC "进行测序 , 并根据这些 " 种子 BAC "及荷兰 所测的染色体 X I上 的 BAC 序列 , 通过 FPC 物 理图 和 BAC 末端 序列 工具 的分 析 ( Peters et al , .
2006 ) , 从已知序列的两侧进行了延伸 .至 2008 年 3 月 , 番茄染色体 X I上已有 14 条达到 Phase 3 标

准的 BAC 序列 , 其中 3 条是根据马铃薯 BAC 序列的比对结果被选中并经过 F ISH 验证 .有关番茄基 因组测序进展的更新见 http: / /www1 sgn1 cornell1 edu / about/ tomato_sequencing1p l. 番茄和马铃薯同科同属 , 基因组在宏观和微观水平都有较高的相似性 , 所以在测序过程中 , 开发

了比较测序的方法 , 对番茄和马铃薯的信息进行比较分析 , 从而在种子 BAC 的挑选 , 序列的组装 ,

4 番茄和马铃薯基因组测序的影响

获得一个物种全基因组的序列信息 , 对深入认识其遗传机制从而进行深度开发利用有重要意义 .

然而 , 在地球上 300 000 多种高等植物中 , 目前已知全基因组序列的仅一种双子叶植物拟南芥和一种 单子叶植物水稻 .而生物科学和农业生产需要了解更多物种的全基因组序列 .因此 , 玉米 ,大豆及番 茄和马铃薯等多种植物相继组建基因组测序项目 .在高通量 ,低成本的新测序技术被完善并广泛运用 之前 , 大基因组的测序项目仍然需要投入巨额资金 , 所以高等生物基因组测序项目多采用多国合作的 方式 .不同的合作伙伴 , 采用相同的技术标准分别获得基因组不同部分的数据 , 然后在一个共同的信 息中心进行整合 .一般采用的测序策略是全基因组的鸟枪法或者 BAC 2by2 BAC (如前所述 ) .前者的 优点是成本较低 , 速度较快 , 而后者有利于高精细序列图谱的获得 . 茄科植物番茄基因组常染色质区域和马铃薯全基因组 DNA 序列图的绘制 , 在基础科学和农业应 用上都将产生巨大的影响 .茄科植物在分类上距离已测序的拟南芥和水稻都较远 , 代表了一个独立的 部分 .茄科植物分布广泛 , 其形态及生态环境有着极大的多样性 .同科同属的番茄和马铃薯基因组的 测定 , 可以有力的推动比较基因组学的新发展 , 加深对基因组进化规律的了解 .番茄和马铃薯基因组 将为茄科植物 EST序列 ,甲基过滤序列 ,低重复性序列等功能基因组的研究提供参照 , 从而有效地 探索植物进化过程中的多样性及对环境的适应性 , 为生命科学中一系列最基本问题的回答提供线索 . 由于番茄和马铃薯都是重要的作物 , 其基因组序列图的完成对遗传育种的发展提供极大的便利 , 新的更有效的育种手段如分子标记辅助选择 , 基因克隆和转基因等有可能得到更好的开发和利用 .马 铃薯利用传统育种手段费时费力 , 进展缓慢 , 全基因组序列的揭示有助于人们加深对马铃薯遗传规律 的了解 , 加强对其丰富的遗传资源的开发 , 加快分子育种的运用 .并且 , 番茄和马铃薯序列图可以作 为其他茄科作物的参考 , 推动诸如茄子 ,辣椒等其它作物的遗传育种进程 . 中国参与两个基因组项目 , 改变了中国在番茄和马铃薯遗传育种研究上相对薄弱的现状 .特别是 以番茄 ,马铃薯测序为核心 , 其它一系列的相关研究将得以开展 , 我国茄科作物遗传育种的研究工作 将有机会进入一个新时代 , 对整个中国园艺学科的发展产生有益的影响 . 番茄基因组项目和马铃薯基因组项目既相互独立 , 又有着千丝万缕的联系 .比较测序的方法可以 同时推动两个项目的进行 .两个项目分别获得的数据 , 通过比较分析 , 可以交互指导对方的 BAC 挑 选和序列组装等 .随着高通量测序技术的发展 , 越来越多的生物的基因组序列将被测定 .今后 , 对亲

对染色体 X I上抗病基因丰富区域的深入研究 , 有可能对新的抗病基因的克隆和利用产生有力的影响 .

10 期

贺 俊等 : 国际马铃薯和番茄基因组测序进展

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缘关系较近的生物进行基因组测序的时候 , 比较测序也许将成为一种趋势 .
References
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