Haplotype-resolving Genomsequenzierung unterstützt die Forschung zur Domestikation und Verbesserung von Arten

Die meisten Pflanzen und Tiere haben komplexe Genome mit mehreren Merkmalen, wie großen Größen, hoher Heterozygotie und Polyploidie. Organismen sind genetisch vielfältig, und heterozygote genomische Regionen können wesentliche Beiträge zur phänotypischen Variation leisten, und diese Komplexität stellt eine Herausforderung für die Genomassemblierung dar. Die Zunahme der Anzahl der Chromosomensätze erhöht die Gesamtmenge an DNA im Genom und steigert die Genomkomplexität, indem Allele oder andere Formen von Genen hinzugefügt werden. Obwohl die meisten Sequenzen zwischen gepaarten Chromosomen identisch sind, bieten diese Unterschiede die Breite biologischer Variation innerhalb von Arten. Die Verwendung von hochwertige Haplotypkarten des Genoms kann ein besseres Verständnis der genetischen Geschichte einer Pflanze oder eines Tieres vermitteln, die Domestikation von Arten untersuchen und die Forschung zur Verbesserung von Arten unterstützen.

Die Haplotypisierung von Polyploiden erfordert grundsätzlich elterliche Sequenzen oder, falls diese nicht verfügbar sind, zumindest die Sequenzen ihrer evolutionären Vorfahren/Nahvorfahren (zum Vergleich zur Trennung verschiedener Subgenome) und um sie zu einem späteren Zeitpunkt zusammenzuführen.

Die Strategien der haplotypaufgelösten Genomassemblierung

Derzeit verwenden Forscher vier Hauptstrategien zur Assemblierung haploider Genome.

Die erste Strategie ist die Trio-Binning-Methode (Illumina- und PacBio-Sequenzierung), die auf elterlichen Sequenzen für eine effiziente Assemblierung basiert. Diese Methode ist einfach und leicht umzusetzen, neigt jedoch dazu, bei heterozygoten Eltern zu Fehlklassifikationen von Reads zu führen.

Die zweite Strategie ist die DipAsm (HiFi- und Hi-C-Sequenzierung) Methode, die nicht auf elterlichen Sequenzen basiert und Hi-C-Daten kombiniert, um haplotypische Chromosomenebenen zu erzeugen, jedoch anfällig für Fehlklassifizierungen in stark heterozygoten Regionen ist.

Die dritte Strategie ist die Hifiasm-Methode, die HiFi-Lesungen effektiv nutzt, um hochwertige Haplotypen zu erzeugen. Im Vergleich zu DipAsm behält sie nicht nur den Vorteil bei, nicht auf die Eltern zur Assemblierung angewiesen zu sein, sondern reduziert auch die Abhängigkeit von Hi-C-Daten, vereinfacht den Prozess, erreicht Assemblierung und Phasierung mit einem Klick und kann Hi-C-Daten integrieren, um zu helfen, und wird allmählich zur bevorzugten Methode für hochwertige Assemblierung.

Die vierte Strategie ist die Strategie zur Assemblierung polyploider Genome, die PolyGembler oder nPhase nutzt. Erstere erfordert die Bereitstellung von Abstammungsdaten, während letztere die Bereitstellung von Referenzgenomsequenzen erfordert.

Das diploide Genom des Marmosets zeigt eine spezifische evolutionäre Region des Y-Chromosoms.

Callithrix jacchus ist ein kleiner Primatenmammal und ein häufiges Modelltier für die medizinische Forschung. Mit Hilfe von Lang- und Kurzlesedaten aus Marmoset-Familien hat das Forschungsteam unabhängig zwei Sätze von hochwertigen Haplotyp-Genomen von jedem Elternteil zusammengestellt, die veröffentlicht wurden in Natur.

Heterozygotie-Landschaftsmuster zwischen den beiden haploiden Marmoset-Genomen (Yang C) u. a.., 2021)

Es wurde festgestellt, dass Marmosets eine zusätzliche, männlich-spezifische Sequenz auf dem Y-Chromosom im Vergleich zu Menschen haben. Außerdem waren die Keimbahnmutationen vom Vater doppelt so hoch wie die der Mutter, was möglicherweise mit der unterschiedlichen Anzahl von replizierenden Zellteilungen während der Bildung von Eizellen und Spermien zusammenhängt. Der Vergleich der genomischen Sequenzen der Eltern erneuert das Verständnis der Unterschiede in der genetischen Information zwischen den Eltern und zeigt die genetische Basis der Marmosets als medizinisches Modellsystem auf, indem Wachstums- und entwicklungsbezogene Gene analysiert werden. Die damit verbundenen Erkenntnisse können auf Studien in mehreren Richtungen angewendet werden, wie z.B. bei neurodegenerativen Erkrankungen, reproduktiver Biologie und pharmakokinetischen Infektionskrankheiten.

Die Studie zum Haplotyp-Genom von Äpfeln enthüllt Ursprung und Geschichte der Domestikation.

Die Cornell University hat in Zusammenarbeit mit dem USDA-ARS Plant Genetic Resources Research Center hochwertige genomische Daten durch Kurz- und Langsequenzierung des kultivierten Apfels gewonnen.Malus domestica cv. Gala) und seine wichtigsten wildlebenden Vorfahren, M. sieversii und M. sylvestrisHochwertige Haplotyp-Genome von Äpfeln wurden erhalten.

Bemerkenswerterweise können haplotypenauflösende Genome helfen, den Ursprung des Apfelgenoms zu klären und die Untersuchung der allelspezifischen Expression während der Entwicklung der Arten zu erleichtern. In diesem Artikel wurden mehrere Gene, die mit der Entwicklung und Qualität von Apfelfrüchten in Zusammenhang stehen, untersucht, und der Evolutionsprozess der Apfelpopulation wurde mithilfe von Analysen der Populationsstruktur und der Populationsgeschichte aufgezeigt. Diese Studie liefert präzise und wertvolle genomische Daten für eine eingehende Untersuchung der Apfeldomestikation und der genetischen Züchtung.

Bedeutung

Die homologen Chromosomen diploider oder polyploider Arten weisen eine hohe Ähnlichkeit auf, und der Assemblierungsprozess kann die homologen Chromosomen aufgrund der kurzen Lese-Länge normalerweise nicht gut unterscheiden. Die Long-Read-Sequenzierungstechnologie kann uns jedoch helfen, die subtilen Unterschiede zwischen homologen Chromosomen zu identifizieren, und in Kombination mit der Assemblierung anderer Sequenzierungsdaten können wir das Haplotyping von Diploiden abschließen, die chromosomalen Unterschiede von den Eltern identifizieren und weiter den alten Ursprung und den Domestikationsprozess der Art aufdecken.

Empfohlene Dienstleistungen

CD Genomics bietet Whole-Genome-Sequenzierung basierend auf Illumina und PacBio SMRT-Sequenzierung Plattformen, die einen schnellen Zugang zu hochwertigen Haplotyp-Genomen ermöglichen, erklären mehr fehlende genetische Kraft und verbessern die Genauigkeit der Genomvorhersage.

Referenzen:

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