基因组学与分子育种讲稿.ppt

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1、关于基因组学与分子育种第一页，讲稿共四十九页哦第一节 基本概念1 基因组genome：一个物种单倍体细胞一个物种单倍体细胞所含有的整套染色体，所含有的整套染色体，物种全部遗传信物种全部遗传信息的总和，包括核基因组和细胞器基因息的总和，包括核基因组和细胞器基因组。组。植物基因组包括三部分：核基因组、线植物基因组包括三部分：核基因组、线粒体基因组、叶绿体基因组粒体基因组、叶绿体基因组第二页，讲稿共四十九页哦2 基因组学genomicsgenomics19861986年提出，至今年提出，至今2020年，已经发展成为年，已经发展成为遗传学中最重要的分支学科。遗传学中最重要的分支学科。定义定义：研究基因

2、组结构、功能和进化的：研究基因组结构、功能和进化的科学。科学。第三页，讲稿共四十九页哦以全基因组测序为目标的以全基因组测序为目标的结构基因组学结构基因组学（structural structural genomicsgenomics）弄弄清清基基因因组组中中全全部部基基因因的的位位置置和和结结构构，为为基基因因功功能能的的研研究究奠奠定定基基础础。其其目目的的是是建建立立高高分分辨辨的的遗遗传传图图谱谱、物物理理图图谱谱、转转录录图图谱和序列图谱。谱和序列图谱。以基因功能鉴定为目标的以基因功能鉴定为目标的功能基因组学功能基因组学（functional genomics)functional g

3、enomics)利利用用结结构构基基因因组组学学提提供供的的信信息息，以以高高通通量量，大大规规模模实实验验方方法法及及统统计计与与计计算算机机分分析析为为特特征征，全全面面系系统统地地分分析析全全部部基基因因的的功功能能。研研究究角角度度包包括括：生生物物学学功功能能、细细胞胞学学功功能能、发发育育学学功功能能等等。基基因因组组学学研研究究内内容容基因组学研究应该包括基因组学研究应该包括两两方面的内容：方面的内容：第四页，讲稿共四十九页哦A.A.遗传图谱遗传图谱B.B.物理图谱物理图谱C.C.转录图谱转录图谱D.D.序列图谱序列图谱结结构构基基因因组组学学第五页，讲稿共四十九页哦A.A.遗传

4、图谱：遗传图谱：指基因或指基因或DNADNA标记标记在染色体上的相对位置与遗传在染色体上的相对位置与遗传距离。通常用距离。通常用cMcM表示（基因或表示（基因或DNADNA片段在染色体交换过程中分离的片段在染色体交换过程中分离的频率）。通过该图谱可分清各基频率）。通过该图谱可分清各基因或因或DNADNA片段之间的相对距离与方片段之间的相对距离与方向，如靠近着丝粒或端粒向，如靠近着丝粒或端粒.水稻1号染色体第六页，讲稿共四十九页哦B.B.物理图谱物理图谱：指：指DNADNA序列上两点间的实际距离。用于确定序列上两点间的实际距离。用于确定各遗传标志间的物理距离有两种物理图谱：（各遗传标志间的物理距

5、离有两种物理图谱：（1 1）以已定）以已定位的位的DNADNA序列标记位点（序列标记位点（STSSTS）为位标，以为位标，以DNADNA实际长度为图实际长度为图谱距离的基因组图谱。（谱距离的基因组图谱。（2 2）由）由YACYAC和和/或细菌人工染色体或细菌人工染色体（BACBAC）连续克隆重叠群组成的物理图谱。连续克隆重叠群组成的物理图谱。第七页，讲稿共四十九页哦A comprehensive rice transcript map containing 6591 expressed sequence tag sitesC.C.转录图谱：转录图谱：以以ESTEST为位标，根据转录顺序的位置和

6、距离绘制的图谱，为位标，根据转录顺序的位置和距离绘制的图谱，它是染色体它是染色体DNADNA某一区域内所有可转录序列的分布图，是基因图的某一区域内所有可转录序列的分布图，是基因图的雏形雏形.反映在正常或受控条件下能够表达的反映在正常或受控条件下能够表达的cDNAcDNA片段数目、种类、结片段数目、种类、结构与功能的信息构与功能的信息。第八页，讲稿共四十九页哦D.序列图谱序列图谱：以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。：以某一染色体上所含的全部碱基顺序绘制的图谱。人人基因组基因组 1 1号染色体局部号染色体局部第九页，讲稿共四十九页哦功能基因组学：基因功能预测功能基因组学：基因功能预测所要

7、预测的基因类型所要预测的基因类型编码基因（编码基因（protein-coding genes）假基因（假基因（pseudogenes）RNA基因（基因（functional RNA genes）-tRNA transfer RNA-rRNAribosomal RNA-snoRNAsmall nucleolar RNA-snRNAsmall nuclear RNA-miRNAmicroRNA第十页，讲稿共四十九页哦编码基因预测编码基因预测几类外显子（几类外显子（exons）:-非翻译区（非翻译区（noncoding）-启始外显子（启始外显子（initial coding exons）-中间外显子

8、（中间外显子（internal exons）-终止外显子（终止外显子（terminal exons）-单一外显子基因（单一外显子基因（some single-exon genes）第十一页，讲稿共四十九页哦 基因预测方法基因预测方法同源序列法同源序列法 Homology-based searches依靠以前鉴定的基因序列依靠以前鉴定的基因序列比较基因组学比较基因组学comparative genomics不同物种染色体同源区段进行比较不同物种染色体同源区段进行比较,分析和预测基因功能分析和预测基因功能 第十二页，讲稿共四十九页哦第十三页，讲稿共四十九页哦第二节 植物细胞基因组结构特点一 核基因

9、组结构特点1 由多条染色体组成，以染色质形态存于核内2 遗传物质含量差异最大。1000多倍3 无操纵子结构，基因以基因家族形式出现。4 非编码区多于编码区5 基因不连续，为断裂基因6 转录物为单顺反子7 多个复制起点8 符合孟德尔规律第十四页，讲稿共四十九页哦二 线粒体基因组的结构特点1 DNA裸露，环状或线状2 分子长度差异大，同一细胞内也有差异3 非均一性4 操纵子结构，为多顺反子5 易发生变异6 表达调控类似原核生物7 只有一个复制起点8 核外遗传，属母系遗传第十五页，讲稿共四十九页哦三 叶绿体基因组结构特点1 DNA裸露，环状2 遗传物质含量小，变化大3 不含有5-甲基胞嘧啶4 操纵子

10、结构，为多顺反子5 几乎所有核糖体操纵子基因顺序都一样6 表达调控类似原核生物7 只有一个复制起点8 核外遗传，属母系遗传第十六页，讲稿共四十九页哦第三节 基因组图谱构建遗传图谱遗传图谱（genetic map）物理图谱物理图谱（physical map）第十七页，讲稿共四十九页哦遗传图谱的构建方法遗传图谱的构建方法 v 理论基础理论基础:连锁与交换连锁与交换v 基本方法基本方法:两点测验法和三点测验法两点测验法和三点测验法第十八页，讲稿共四十九页哦植物遗传图谱的构建植物遗传图谱的构建v 选择研究材料（亲本）选择研究材料（亲本）v 构建分离群体构建分离群体v 遗传标记检测遗传标记检测v 标记间

11、的连锁分析标记间的连锁分析第十九页，讲稿共四十九页哦选择亲本选择亲本 要求亲缘关系远，遗传差异大要求亲缘关系远，遗传差异大 但又不能相差太大以导致引起子代不育。但又不能相差太大以导致引起子代不育。对对备备选选材材料料进进行行多多态态(差差异异)性性检检测测，综综合合测测定定结结果果，选选择择有有一一定定量量多多态态性性的的一一对对或几对材料作为遗传作图亲本。或几对材料作为遗传作图亲本。第二十页，讲稿共四十九页哦构建作图群体构建作图群体 第二十一页，讲稿共四十九页哦遗传标记的染色体定位遗传标记的染色体定位v 利用遗传学方法或其它方法将少数标记利用遗传学方法或其它方法将少数标记锚定在染色体上，作为

12、确定连锁群的参锚定在染色体上，作为确定连锁群的参照系。照系。v 常用的方法：常用的方法：单体分析单体分析 三体分析三体分析 代换系分析代换系分析 附加系分析附加系分析第二十二页，讲稿共四十九页哦标记间的连锁分析标记间的连锁分析v利用在两个亲本间有多态性的标记分析利用在两个亲本间有多态性的标记分析分离群体中所有个体的基因型分离群体中所有个体的基因型v根据连锁交换的情况，确定标记之间的根据连锁交换的情况，确定标记之间的连锁关系和遗传距离连锁关系和遗传距离v有计算机软件可以应用有计算机软件可以应用第二十三页，讲稿共四十九页哦水稻遗传图水稻遗传图v 1994 1994年，水稻第一张高密度遗传图谱年，水

13、稻第一张高密度遗传图谱 927 927个位点，个位点，1383 1383个标记个标记v 1998 1998年，年，11571157个位点，个位点，22752275个标记个标记v 2000 2000年，年，32673267个标记个标记v 高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传高密度的遗传图谱为基因组测序和遗传研究奠定了坚实的基础。研究奠定了坚实的基础。第二十四页，讲稿共四十九页哦物理图谱的构建物理图谱的构建v 用用分子生物学方法分子生物学方法直接检测直接检测DNADNA标记在标记在染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物染色体上的实际位置绘制成的图谱称为物理图谱。理图谱。v 有遗传图谱为什么还要构建物理

14、图谱？有遗传图谱为什么还要构建物理图谱？第二十五页，讲稿共四十九页哦遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷v 分辨率有限分辨率有限v 人类只能研究少数减数分裂事件，不能人类只能研究少数减数分裂事件，不能获得大量子代个体获得大量子代个体v 测序要求每个标记的间隔小于测序要求每个标记的间隔小于100100kbkbv 实际是实际是599599kbkb第二十六页，讲稿共四十九页哦遗传图谱的缺陷遗传图谱的缺陷精确性不够精确性不够经典遗传学认为，交换是随机发生的经典遗传学认为，交换是随机发生的基因组中有些区域是重组热点基因组中有些区域是重组热点倒位、重复等染色体结构变异会限制交倒位、重复等染色体结构变异会限制交换重

15、组换重组第二十七页，讲稿共四十九页哦酵酵母母遗遗传传图图与与物物理理图图比比较较A A 遗传图遗传图B B 物理图物理图第二十八页，讲稿共四十九页哦物理作图的方法物理作图的方法1 1、限制酶作图、限制酶作图2 2、依靠克隆的基因组作图、依靠克隆的基因组作图3 3、荧光原位杂交、荧光原位杂交4 4、序列标签位点作图、序列标签位点作图第二十九页，讲稿共四十九页哦限制酶作图（限制酶作图（restriction mapping）第三十页，讲稿共四十九页哦限制酶作图（限制酶作图（restriction mapping）第三十一页，讲稿共四十九页哦荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in s

16、itu hybridization，FISH）第三十二页，讲稿共四十九页哦荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）第三十三页，讲稿共四十九页哦荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）第三十四页，讲稿共四十九页哦荧光原位杂交荧光原位杂交（fluorescent in situ hybridization，FISH）第三十五页，讲稿共四十九页哦遗传图与物理图的整合遗传图与物理图的整合v有些标记既是遗传标记，又是物理标记有些标记既是遗传标记，又是物理标记 RFLPRFLP标

17、记标记 SSRSSR标记标记 某些基因序列某些基因序列v借助这些标记可以将遗传图和物理图整借助这些标记可以将遗传图和物理图整合起来合起来第三十六页，讲稿共四十九页哦第四节 基因组测序v有了高密度的基因组图谱，就可以开始全有了高密度的基因组图谱，就可以开始全基因组测序了基因组测序了v测序的技术飞速发展，现在可以全自动化测序的技术飞速发展，现在可以全自动化v测序的策略有两个：测序的策略有两个：鸟枪法鸟枪法 克隆重叠群法克隆重叠群法第三十七页，讲稿共四十九页哦鸟枪法（鸟枪法（shotgun sequencing）第三十八页，讲稿共四十九页哦鸟枪法的优缺点鸟枪法的优缺点v优点：优点：不需要高密度的图谱

18、不需要高密度的图谱 速度快、简单、成本低速度快、简单、成本低v缺点：缺点：拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域拼接组装困难，尤其在重复序列多的区域v主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组主要用于重复序列少、相对简单的原核生物基因组第三十九页，讲稿共四十九页哦克隆重叠群法（克隆重叠群法（clone contig）v 将基因组将基因组DNADNA切割长度为切割长度为0.10.1MbMb1Mb1Mb的的大片段，克隆到大片段，克隆到YACYAC或或BACBAC载体上载体上v 然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克然后再进行亚克隆，分别测定单个亚克隆的序列隆的序列v 再装配、连接成连续的再装配、连接成

19、连续的DNADNA分子。分子。v 这是一种自上而下（这是一种自上而下（up to downup to down）的测的测序策略序策略 v clone-by-clone methodclone-by-clone method第四十页，讲稿共四十九页哦两两种种基基因因组组测测序序策策略略第四十一页，讲稿共四十九页哦The E.coli genome第四十二页，讲稿共四十九页哦第五节 功能基因组学v 完完成成基基因因组组测测序序，仅仅仅仅是是基基因因组组计计划划的的第一步，更重要的工作在于弄清楚：第一步，更重要的工作在于弄清楚：基基因因组组序序列列中中所所包包含含的的全全部部遗遗传传信信息息是什么；

20、是什么；基因组作为一个整体如何行使功能。基因组作为一个整体如何行使功能。v就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是对基因组序列进行诠释的过程，也就是功能基因组学的研究内容。就是功能基因组学的研究内容。第四十三页，讲稿共四十九页哦根据序列分析搜寻基因根据序列分析搜寻基因 v 查找开放阅读框（查找开放阅读框（open reading frame,ORFopen reading frame,ORF）v 开开放放阅阅读读框框都都有有一一个个起起始始密密码码子子，ATGATG，还还要要有有终终止止密码子密码子。v 从从ATGATG开始，然后向下游寻找终止密码子。开始，然后向下游寻找终止密码子。v 起始密码

21、子和终止密码子之间的碱基数目要能够被起始密码子和终止密码子之间的碱基数目要能够被3 3整除整除v 每每一一条条链链都都有有3 3种种可可能能的的阅阅读读框框，2 2条条链链共共计计有有6 6种种可可能能的的阅读框阅读框.v 计算机可以很快给出结果。计算机可以很快给出结果。第四十四页，讲稿共四十九页哦同源查询同源查询v 利利用用已已经经存存入入数数据据库库的的基基因因序序列列与与待待查查的的基基因因组组序序列列比比对对，从从中中查查找找可可以以与与之之匹匹配配的的碱基序列及其比例，用于界定基因碱基序列及其比例，用于界定基因。v 同源查询可以部分弥补同源查询可以部分弥补ORFORF扫描的不足。扫描

22、的不足。第四十五页，讲稿共四十九页哦同源查询的依据同源查询的依据 有有亲亲缘缘关关系系的的物物种种，基基因因组组可可能能存存在在某某种程度的相似性：种程度的相似性：存在某些完全相同的序列；存在某些完全相同的序列；ORF ORF的排列相似，如等长的外显子；的排列相似，如等长的外显子；ORF ORF指令的氨基酸序列相似；指令的氨基酸序列相似；模拟的多肽链的高级结构相似，等模拟的多肽链的高级结构相似，等。第四十六页，讲稿共四十九页哦基因功能研究基因功能研究 1 1、计算机预测基因功能、计算机预测基因功能 v 依据仍然是同源性比较。同源基因拥有依据仍然是同源性比较。同源基因拥有一个共同的祖先基因，它们之间有许多一个共同的祖先基因，它们之间有许多相似的序列。相似的序列。v 种间同源基因种间同源基因 v 种内同源基因种内同源基因 第四十七页，讲稿共四十九页哦基因功能研究基因功能研究2 2、实验确认基因功能、实验确认基因功能 基因克隆基因克隆 基因敲除基因敲除（knock-out）基因的超表达基因的超表达 反义反义RNARNA技术技术 RNAi RNAi 转座子插入突变转座子插入突变 第四十八页，讲稿共四十九页哦2022/10/1感谢大家观看第四十九页，讲稿共四十九页哦