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前言

植物基因组大小跨越几个数量级,倍性和杂合性变化,以及新旧基因组转座子变化等带来组装挑战。三代和物理图谱提供了新机会,单倍型定相、结构变异分析、从头泛基因组研究成为新兴组装热点。

植物基因组发展:

  • 拟南芥:sanger BAC-by-BAC。
  • shotgun OLC (CELERA assembler):木瓜、大豆、杨树等早期测序植物。
  • 454/Illumina DBG 短序列高深度带来植物基因组组装大爆发,但质量较低。
  • 单分子PacBio长度长带来接近完整染色体组装。
  • 辅助技术发展:Hi-C/BioNano(无需昂贵的BAC物理图谱)
  • ONT纳米孔能达上Mb,组装拟南芥、番茄、高粱、香蕉、甘蓝等更连续和完整的版本。

在过去20年种,有400多个植物基因组已发表,包括333个被子植物,15个非被子植物、2个轮藻和44个绿藻。

可查阅:
​​​https://www.plabipd.de/portal/web/guest/sequenced-plant-genomes​

1. 单分子长度长测序

PacBio通过CCS产生HiFi 15 kb reads的方法准确率高达99.8%,解决了错误率问题,但每条read成本高了近5倍。

基因组测序的发展,在基因组完整度上已经有了很大提升。

构建一个近乎完整的植物基因组_复杂度

2. 长度长基因组组装的错误倾向

新算法的设计目的:correct, overlap, and polish long reads with high error-rates。
算法随计算设计、速度、内存使用、复杂基因组利用而变化。

  • 自纠方法self-correction:CANU、Falcon(phase/unzip)、MARVEL、MECAT。利用reads相互比对,需要较高覆盖度。
  • correction-free:基于OLC的minimap2/miniasm、基于DBG的wtdbg2和Flye。要求更高复杂度的基因组。

组装的草图有误差,必须用高覆盖度的长读长或短读长polish,一般大于三次可达到>99.6%的准确性。

  • long reads:Quiver/Arrow (PacBio)、Medaka (ONT)、Nanopolish、Racon。
  • short reads:Pilon

PacBio CCS HiFi软件:Peregrine

3. 物理图谱技术

  • a.Hi-C
  • b.Optical maps
  • 构建一个近乎完整的植物基因组_微信公众号_02

4. 解决复杂植物基因组

如下图,两条染色体组装时定相,杂合基因组phasing有如下方法:

  • 右上:嵌合假分子,简化下游分析。
  • 右中:原始reads比对到contigs,解决缺失的单倍型区域,建立一个定相的二倍体组装。
  • 右下:保留部分单倍型,并在基于图的组装中加以标记。
  • 构建一个近乎完整的植物基因组_微信公众号_03

5. 利用组装图

组装经典指标是N50,或者最短序列长度大于组装的50%,方法过于简单。
利用组装图可以可视化复杂度和邻接contig的overlap。

  • 纯合简单基因组(左上图):理想的graph对于每个contig(节点)只有一条边和邻接序列相连。
  • 气泡图(左下图):高杂合性,节点(单倍型)被多条边连接。
  • 复杂重复(右上图):在图结构中较模糊,如rRNA,centromeric satellite DNA。
  • 毛团(hairballs,右下图):多拷贝重复,无清晰路径,节点互交。
  • 构建一个近乎完整的植物基因组_参考文献_04

当参考基因组被泛基因组取代时,基因组图论将是代表复杂基因组更好的方法。

挑战和展望

挑战:

  • 多倍体和杂合度

展望:

  • 基因组完整、少gap、定相。
  • denovo替代重测序,挖掘更多多样性,用于群体遗传和泛基因组分析。
  • 基因组注释将落后于组装,提高注释质量需要新技术(如全长cDNA,PacBio Iso-seq等)以及新算法。

参考文献:​​Todd PMichael. Building near-complete plant genomes. Curr Opin Plant Biol. 2020 Apr;54:26-33.​



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