植物館藏標本基因組淺層測序研究方法獲進展

世界上約3400個植物標本館，目前收集標本數量總計超過三億五千萬份。這些標本館幾乎收集了當地分布的所有物種，加起來大體上覆蓋世界上已知植物物種。館藏標本經過分類鑒定，蘊含著豐富的物種信息，其中模式標本更是每個物種科學名詞（學名）的直接承載者。由於植物材料特性、乾燥條件、儲藏時間等因素的影響，標本DNA高度降解，DNA提取濃度低，且易受外源DNA污染。這給標本DNA的提取、目的片段的PCR擴增和Sanger測序帶來了較大困難。儘管標本存在較大潛在研究和應用價值，但是標本遺傳信息獲取技術明顯滯後。

中國科學院昆明植物研究所中國西南野生生物種質資源庫植物多樣性與基因組學團隊李德銖研究組和分子生物學實驗中心多年來一直致力於植物DNA條形碼與基因組學研究。新一代測序技術（Next Generation Sequencing）為標本遺傳信息的獲取帶來了新的契機，因為新一代測序技術正是以100-400 bp的短片段分子為建庫模板。同時，基因組淺層測序（Genome Skimming）通過二代測序技術獲得全基因組較低測序深度基因組數據，藉助於生物信息學手段，可得到葉綠體全基因組、線粒體全部或者部分基因組，以及核基因組中高度重複區域（如rDNA）等序列數據。最近，該團隊曾春霞在分子生物學實驗中心團隊的支持下，與愛丁堡皇家植物園合作，綜合考慮標本的完整性、稀缺性和不可替代性，嘗試選擇500 pg的起始DNA（文獻報道多以ng或μg為起始量），通過文庫構建流程的優化，成功獲得標本的葉綠體全基因組和rDNA序列數據，用於DNA條形碼2.0和系統發育基因組學研究。

研究發現，以500 pg為起始量，通過模板分子不打斷；不做片段選擇；不少於8個PCR循環富集barcode文庫，可以作為低質量樣品文庫構建的標準流程。對25份標本（採集時間為1934-2007年不等）進行測試，23份標本可以獲得完整或幾近完整的葉綠體基因組序列，21份標本可以獲得rDNA序列。目前，分子生物學實驗中心已經形成低質量樣品文庫構建的標準與技術規範，以及數據組裝和拼接規範。基於標本獲取葉綠體全基因組和rDNA序列數據的技術，應用前景廣泛，包括：（1）可用於DNA高度降解的各類植物製品（如木材、樹皮、粉末、中草藥、飲片等），以及植物根系、動物消化物等的物種鑒定；（2）將模式標本的遺傳信息整合到現有分類框架中；（3）從標本獲得現已無法採集甚至野外滅絕物種的遺傳信息；（4）獲取標本遺傳信息用於評估環境變化等導致的遺傳多樣性喪失或變化。

研究成果以Genome skimming herbarium specimens for DNA barcoding and phylogenomics為題發表於植物學研究方法的國際期刊Plant Methods上。該研究得到了科技基礎性工作專項重點項目（2013FY112600）、中科院重大科技基礎設施開放研究項目（2017-LSF-GBOWS-02）和中科院戰略生物資源服務網路計劃生物多樣性保護策略項目（ZSSD-011）的資助。

文庫構建流程圖

來源：中國科學院昆明植物研究所

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