三代测序技术大显身手之动植物SV研究

相较于二代测序，三代测序技术凭借其超长的读长，均匀的覆盖率，极快的测序速度等优势，一经问世就在全基因组测序、RNA测序以及表观遗传学研究等领域得到广泛地应用并且大受好评。其中，三代测序技术快速推动了基因组测序进行变异检测的相关研究。过去由于SNP只涉及到单个碱基的变异，容易检出，一直是基因组变异研究的热点，但其实结构变异（SV）亦是动植物性状多样性的重要原因。利用三代测序技术进行动植物结构变异检测，可以揭示基因组SV分布情况、分析SV与染色质结构及基因表达修饰相关性，检测外源片段插入等。在动植物群体水平研究中，SV与群体进化历程密切相关，约有超过三分之一的驯化性状是由SV所引发的。

近年来，三代测序检测动植物SV相关研究日益增多，相关文献报道也逐渐增多，可见在动植物上进行SV检测并深入研究SV在生物学上的意义已是一种趋势，十分有价值。

那么三代测序检测动植物SV具体可以进行哪些研究呢？下面小贝就梳理一些应用领域，为大家提供些灵感。

动植物性状相关分子机制探索

基因决定动植物生物学性状，基因内或基因附近的SV事件会影响基因的功能，进而影响基因的表达导致性状发生改变。检测基因组上决定动植物性状相关基因的SV事件，有助于对动植物性状相关分子机制进行深入探索，为基因编辑等育种改良技术提供分子机制基础。

2019年5月Nature Plants发表的关于番茄花序分枝性状的相关研究中，研究者首先在双突变体杂交实验中发现J2与ej2互作会导致番茄产生过度分枝和花序从而产量降低的现象。之后研究者通过QTL-seq定位到两个与花序分枝相关的位点sb1和sb3并且利用三代测序技术对sb3位点进行深入研究。他们发现EJ2基因周围有一个83kb的串联重复序列，并通过基因编辑等一系列实验表明在番茄育种过程中该串联重复可以中和有害的隐秘变异，从而促进花序的发育。这一实验结果也为基因编辑技术改良番茄育种进而提高产量提供了分子机制基础。

图1  一个串联重复序列抑制花序分枝（图片引自原文[1]）

外源插入片断检测

T-DNA是构建转基因材料的有效手段，检测T-DNA插入位点信息对开展相关研究至关重要。另外由于T-DNA的插入，宿主基因组可能由于整合某些非预期的质粒DNA而发生大片段SV，通过检测这些SV事件可以深入研究T-DNA对染色质景观以及基因表型的影响。

2019年1月PLoS Genetics发表的关于拟南芥转基因材料的研究中，研究者选择了4个转基因拟南芥株系，含 pCSA110载体的SAIL_232 系，含 pROK2载体的SALK_075892系，含 pROK2载体的SLAK_059379系以及含 pDSLox载体的WiscDsLox_449D11系进行三代测序检测SV，观察到由于T-DNA插入而产生四种SV，长度大小从27kb到236kb不等。除此之外，T-DNA整合还诱导了SAIL_232系中出现大规模重排现象。研究者还通过对土壤发芽的植物施用除草剂来确认转基因的功能，进而评估T-DNA插入对表观基因组的影响。

图2  T-DNA整合诱导了SAIL_232基因组的大规模重新排列（图片引自原文[2]）

动植物群体进化研究

通过检测某物种自然群体各亚群的SV事件，基于群体SV信息，解析群体的遗传多样性、遗传结构、基因交流情况、物种形成机制以及群体进化动态等生物学问题，从分子层面深入研究该物种的进化历程。

2019年11月在bioRxiv发表的关于鸣禽属结构变异的种群基因组学研究中，研究者通过三代测序技术在31个鸣禽属群体样本中检测出47,346个SV，过滤后最终保留41,868个SV。研究者发现纯合子插入基因型与可以调控羽毛颜色性状的NDP基因表达水平具有相关性。并且测序数据显示其中一个插入位于NDP基因的上游，非常接近鸽子的一个直系区域，该区域包含一个拷贝数变异，可以调节羽毛图案。

图3NDP基因上游基于SV的种群结构和LTR逆转录转座子插入（图片引自原文[3]）

参考文献：

1. Sebastian, Soyk, Zachary,et al. Duplication of a domestication locus neutralized a cryptic variant that caused a breeding barrier in tomato[J]. Nature Plants, 2019.

2. Jupe Florian,Rivkin Angeline C,Michael Todd P et al. The complex architecture and epigenomic impact of plant T-DNA insertions.[J] .PLoS Genet., 2019, 15: e1007819.

3. Matthias H. Weissensteiner, Ignas Bunikis, Ana Catalán,et al. The population genomics of structural variation in a songbird genus[J]. bioRvix, 2019.