高通量测序技术在林木育种中的应用
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摘要林木不仅是重要的可再生资源，为人类提供了衣食住行等最基本的原材料，也是陆地生态系统最重要的组成部分。传统育种方法已在很大程度上促进了林木育种学的发展，但难以满足人类对林木资源需求。新一代的高通量测序技术为这个传统学科带来了技术和方法的革命，这一技术能有效地研究表型和基因型之间的关系，特别是在复杂性状研究中很有优势。利用此技术可以通过新一代遗传作图策略发掘功能基因并对其进行精确定位。综述了国际上林木基因组与遗传育种研究的现状与新发展，并对后基因组时代的林木育种研究的预期成果进行了展望，以为从事该领域研究的科研人员提供参考。
关键词高通量测序；基因组；林木育种
中图分类号S722.3文献标识码A文章编号 1007-5739（2013）12-0130-03
ApplicationsofHigh-throughputSequencinginForestTreeBreeding
TIAN BinXIN Pei-yaoZHANG Xue-juanWANG Da-weiHE Cheng-zhong *
（Key Laboratory of Biodiversity Conservation in Southwest China，State Forestry Administration，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224）
AbstractForest trees are not only the important renewable resources which can meet the essential needs of humans，but also the most important part of the terrestrial ecosystems. Traditional breeding methods have largely contributed to the development of forest tree breeding，but it is difficult to meet human′s needs for forest resources. Nowadays，the availability of genomic tools and resources is leading to a new revolution of plant breeding，as they facilitate the study of the relationship between the genotype and the phenotype，in particular for complex traits. With high-throughput sequencing technique，you can explore functional gene and its precise positioning by a new genetic mapping strategy. In this paper，the author reviewed the progress in tree genomic and genetic breeding，and prospected the future achievements in order to provide a useful reference for researchers working in this area.
Key wordshigh-throughput sequencing；genome；forest tree breeding
林木不仅是重要的可再生资源，为人类提供了衣、食、住、行等最基本的原材料，而且是陆地生态系统最重要的组成部分。其包含80%以上的陆地生物量，为超过50%的陆地生物提供庇护所。同时，林木还提供了生物多样性保护、碳沉积、气候调节、水源涵养等多种重要的生态服务，并且从一定程度上塑造了人类多样性的文化[1-2]。
当前，随着全球气候的不断恶化和能源危机的持续发酵，对生态系统特别是森林生态系统的保护和利用已成为一个世界性的课题。利用遗传学的方法对林木进行改良能够充分利用自然生产潜力，提高林产品产量和品质，增强林木抗性以及充分发挥林木的多种生态效益。然而，与水稻、玉米等其他草本农作物育种的高速发展不同，林木的生长周期较长，并且基因组普遍比较大，使得通过反向遗传学的方法找寻和精确定位优良突变受到限制，因此林木育种整体研究进展缓慢。
传统的育种学方法已经难以满足人类对林产品的快速需求。随着分子生物学技术的飞跃式发展，大量的分子标记被运用到林木遗传育种中，然而无论是通过实验遗传学还是比较遗传学的方法都在对基因快速准确的分析定位上受到了一定的限制。在林木中构建较高密度的遗传图谱不仅耗时耗力，而且得到的信息量较少[3]。1975年英国生化学家Frederick Sanger发明了末端终止法DNA测序技术[4]，打开了解读生命“天书”的大门。但是利用Sanger测序的方法得到一个高等生物的全基因组序列需要花费大量的时间和资金，基因组学在生命科学领域中的广泛应用也受到一定的限制。然而，21世纪以来基于高通量的第2代和第3代测序技术的出现使得基因组测序所需的时间和成本大大降低，让以前遥不可及的基因组测序工作简单到一个实验室都可以进行。以2006年毛果杨（Populus trichocarpa）全基因组序列的为契机[5]，林木遗传育种学研究从基本遗传平台构建研究的初始阶段，快速进入到以功能基因组研究为代表的后基因组时代。该文概述了林木基因组学研究的进展，探讨了高通量测序技术对林木遗传育种带来的机遇和挑战，以为我国林木遗传育种学研究提供有益的参考。
1林木基因组研究进展
植物中包含的多基因家族数量非常大[6]，并且与动物相比其多倍体频率要高很多，这使得植物中旁系同源paralogy呈常态化。因此，通过高通量测序所产生的短小的reads常无法map到参考基因组，并且等位基因变异很难从相近的基因家族成员中区分出来。此外，由于植物基因组中广泛存在拷贝数量变异，即便是有高质量的参考基因组旁系同源仍然很难解决[7-8]。基于以上原因，植物基因组研究的进展相对于缓慢。根据美国能源部联合基因组研究所（DOE JGI）公布的数据（http：//www.jgi.doe.gov/）已测序完成的基因组中高等植物基因组只占了很小的比例。木本植物基因组的杂合度较高、基因组通常较大，且多数发生过基因组的复制，遗传背景不清晰，使得林木全基因组测序研究远远落后于其他植物[9]。全世界有超过10万种的木本植物，仅有10个左右的基因组被公布出来。这些预先的基因组研究计划都是针对有重大经济利用价值的林木，包括一些常见的果树和杨树、麻疯树等重要的经济林木（表1）。另外，松科、壳斗科的林木基因组测序工作也正在进行中[3]。这些物种全基因组测序的完成为林木分子育种和品种分子设计提供了大量可用信息，将极大地促进林木遗传育种学科的发展。