全自动DNA片段回收仪多型号协同助力同源四倍体马铃薯基因组结构与遗传研究

Sage Science全自动DNA片段回收仪多型号协同助力同源四倍体马铃薯基因组结构与遗传研究

背景知识

马铃薯是全球消费量最大的非谷类粮食作物。大多数商业马铃薯品种是同源四倍体，具有高度杂合的基因组，严重阻碍了遗传分析和改良。栽培马铃薯主要是无性繁殖，加上四倍体遗传，传统的马铃薯育种效率低下，与玉米和水稻等其他主要作物相比，这大大限制了马铃薯育种的进展，导致马铃薯市场多沿用数百年前的品种，缺乏多样性和疾病抵抗力。自从单倍体马铃薯的第一个参考基因组(DM1-3 516 R44;(以下简称DM)于2011年发布后，越来越多的研究聚焦于各种野生和栽培二倍体马铃薯材料的基因组组装，为马铃薯的基础研究和育种提供了宝贵资源。然而解决马铃薯同源四倍体基因组中的四个单倍型仍然是一个挑战。

中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队，在2022年7月于植物领域国际权威刊物Molecular Plant上发表了题为“Genome architecture and tetrasomic inheritance of autotetraploid potato”的文章，重点报道了马铃薯的基因组结构和四倍体遗传研究。该研究团队采用了从头组装策略，结合了PacBio高保真HiFi读取初步组装和遗传图谱辅助多倍体图拼接，获得了3.15Gb基因组组装，N50长度为18.78Mb，并在48条染色体上锚定了3.03Gb的序列。这一高质量的参考基因组为详细研究自多倍体基因组的组成铺平了道路。

实验方法

据估计，马铃薯栽培品种C88的基因组大小约为3GB，将其离体苗的基因组DNA提取后，采用Sage Science 公司的多通道回收Sage ELF选择性回收14-17kb片段，利用PacBio Sequel II测序平台测序共生成了96.20 Gb的HiFi reads, N50长度为16.70 kb。对于Ultra-long Nanopore文库，采用SageHLS HMW 超长片段回收仪进行分选，产生153 Gb的ONT读段用于组装，N50长度为66.3 kb。

继而对C88植株的花、根、茎、幼叶和匍匐茎等组织分离总RNA，由Blue Pippin全自动DNA片段回收仪得到cDNA的大小，在PacBio Sequel II平台上完成测序（测序数据附表1）。

附表1  C88测序数据：

结论

利用先进的测序技术和多倍体图谱分析方法相组合，成功实现了马铃薯C88一个染色体级别、单倍型解析基因组组装。通过对四个单倍型的比较分析，揭示了四倍体基因组中广泛的序列和表达差异。研究还发现了马铃薯同源着丝粒的不同进化轨迹，并检测到了不均匀分布在1034个自交后代中的双重还原事件，是四倍体自交遗传的特征。通过区分母系和父系单倍型集合，作者模拟了马铃薯四倍体杂交育种优势的起源，发现了3110个具有有害突变的四等位基因座，这些突变在杂合状态下被两个亲本掩盖。此项研究为了解自多倍体基因组的结构提供了新的见解，并为马铃薯的育种提供了指导。

讨论

得益于测序技术的进步，已有一些四倍体马铃薯品种的染色体规模单倍型基因组组装结果被释放出来。越来越多可用的基因组为了解栽培马铃薯和其他自多倍体物种的生物学提供了重要的资源。

本文中讨论的Otava基因组和C88基因组组装，都用到了最新的HiFi测序技术。他们之间的差异在于组装策略的不同。在Otava组装中，相位化的reads被分成不同的组，并分别重新组装。而在C88组装中，相位信息输入到组装软件hifiasm中，并应用多倍体图谱分组来指导整个基因组图谱的组装和生成新的contigs。C88基因组在连续性（以contig N50为指标，18.78 Mb对比7.1 Mb）和完整性（以BUSCO分数为指标，98.4%对比97.3%）方面优于Otava组装。这表明多倍体图谱分组的策略在提高基因组连续性和完整性方面是有效的。因此，C88基因组和Otava基因组为自交多倍体基因组的单倍型解析组装提供了有力的例证。

超长测序技术在马铃薯基因组研究中的应用，主要通过获得更长的DNA序列片段来改善基因组组装的质量。这种技术可以提供更准确的序列信息，从而解决马铃薯基因组的连续性和完整性问题。通过超长测序技术，研究人员可以更好地解析马铃薯基因组中的复杂结构和重复序列，揭示其基因组的特点和演化过程。此外，超长测序技术还可以帮助研究人员分析马铃薯基因组中的遗传变异和基因表达差异，进一步理解马铃薯的遗传特性和基因调控机制。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.06.009

• 01

10+kb：Nanopore常规测序文库

型号：Blue Pippin 

Blue Pippin 全自动DNA片段回收仪程序中自带的High Pass模式，即设定好回收的起点，系统可以自动回收起点以上的所有片段，干净彻底的去除小片段DNA，有效提高Nanopore测序效率和质量。

Blue Pippin自动回收起点以上的所有片段，干净彻底的去除小片段DNA，有效提高Nanopore测序效率和质量。

• 02

10-25kb：PacBio HiFi测序文库

型号：Blue Pippin、Pippin HT、Sage ELF

PacBio HiFi测序对DNA文库的长度均一性要求较高，最佳片段范围为10-25kb。Sage Science产品中的Pippin HT高速高通量DNA片段回收仪、Blue Pippin全自动DNA片段回收仪 、Sage ELF多通道片段回收仪皆满足该测序要求，而且Sage ELF还可将一样本中不同长度的片段同时回收，最大限度利用样本。

Sage ELF同时精准回收一个样本中不同长度的片段

• 03

型号：HLS系列

Ultra-long DNA片段回收的一个重要应用是在ONT三代测序，可以最大发挥ONT测序长度长的优势。Sage Science公司针对超大片段文库的制备，推出了Sage HLS超大片段回收型号，最大可回收2Mb的DNA片段。下图所示PromethION同Sage HLS联用，N50最大可到143.3kb。

Sage HLS片段筛选后Nanopore测序，N50 高达 143.3 kb05长片段DNA样本质控

Sage Science是全球领先的研发制造Pippin系列全自动核酸电泳片段回收仪的生产厂家，拥有美国技术专利，各个型号产品可以高效完成不同长度范围的DNA片段的精准回收，广泛用于二代测序、三代测序以及多种分子生物学相关领域。

环亚生物科技有限公司作为美国Sage Science公司在中国区的独家代理商，自2011年以来将Sage Science的产品线引入国内，一直为国内用户提供专业的全自动核酸片段回收系统的安装测试、应用培训，技术支持与售后维护工作，赢得客户的一致好评与信任。环亚生物科技有限公司将一如既往的支持越来越多的Sage Science用户。

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