高通量测序技术在现代育种中的运用
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇高通量测序技术在现代育种中的运用范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
作者简介： 汪晓雪（1983—），女，湖北武汉人，湖北轻工职业技术学院，助教，硕士。研究方向：分子生物学。
摘要：高通量测序技术通过几个间段的发展已经能够产生海量的基因组序列。与此同时，高通量测序技术本身也深刻地改变着作物育种的策略和途径：分子标记的辅助选择将极大地提高育种的选择效率；基于重测序技术的单倍型分析能够快速准确地研究种质资源；对没作物进行从头测序，提供大量的序列信息用于育种实践。
关键词：高通量测序技术；作物育种；分子标记辅助选择；重测序；单倍型分析
中图分类号：S18文献标识码：A文章编号：1671—1580（2013）07—0151—02
作物育种学是研究选育及繁殖作物优良品种的理论与方法的科学。在21世纪，随着高通量测序技术的成熟与市场化，基因组学快速发展，而这种快速发展注定将成为作物育种学新的发展的推动力。
高通量测序技术推动的分子生物学和基因组学的发展将有利于育种家们更好地了解和掌握作物的遗传变异规律；更好地挖掘、研究和整理各种种质资源；改变育种途径和策略，极大地提高育种的效率和产出。本文将围绕高通量测序技术的发展，作物基因组的高通量测序和这种高通量测序及其产生的海量基因组序列在作物育种中的运用及前景展开论述。
一、高通量测序技术的发展
DNA分子测序技术的发展经历了三个大的发展间段：分别是最初的Snager双脱氧核苷酸测序法，第二代高通量实时荧光测序法和第三代单分子实时测序法。
1.第一代测序技术的发展
1977年，来自英国的科学家Sanger及其同事率先在DNA测序技术上取得了突破性进展，开发了具有实用价值的双脱氧核苷酸DNA测序技术。通过几十年的逐步改进，基于Sanger测序方法的第一代测序技术的读长可以超过1000bp，原始数据的准确率可以高达99.999%，测定每千碱基序列的成本是0.5 美元，每天的数据通量可以达到600000碱基。
2.第二代DNA测序技术
第二代测序技术都采用了大规模矩阵结构的微阵列分析技术——阵列上的DNA样本可以被同时并行分析。现在成熟第二代测序技术主要有罗氏的454测序系统，Illumina公司的Solexa系统和ABI公司的SOLiD测序系统。罗氏公司的454 GS高通量测序技术不需要进行电泳，具有分析结果快速、准确、灵敏度高和自动化的特点，而且读长可以达到1Kb以上。Illumina公司推出的Solexa 遗传分析仪是合成技术的进一步发展与延伸，该技术借助高密度的DNA单分子阵列， 使得测序成本和效率均有了较大改善。与454相比， Solexa拥有更高的通量， 更低的成本。
3.第三代测序技术
Pacific biosciences 公司发明的SMRTtm（single molecular real-timesequence）单分子实时DNA测序系列测序仪，第一次使得实时观测DNA的合成过程成为可能，开创了第三代测序技术的先河。与其他第二代测序技术的最大区别在于序列的读长更长，可以达到几个Kb甚至上百Kb，测序速度更快（每个read在1分钟内能完成1～3个碱基的测序）。
随着现代育种学的发展，检测和利用作物之间的遗传差异早已成为了作物育种的一个组成部分。而高通量测序技术产生的大量作物基因组序列是检测和利用作物之间遗传差异的物质基础。
1.基因组变异的检测和分子标记的开发可用以MAS
发现并且利用作物间DNA水平的分子变异对于作物遗传育种来说是及其重要的，这种遗传变异可以由各种各样的标记检测出来。由于高通量测序技术产生的大量作物基因组信息和重测序信息，分子标记的数量可以是无限大的。而且随着芯片技术的发展，SNP标记由于其数量巨大，几乎分布于全基因组的每一个角落和它的基于芯片的高通量分析手段，已经在现代MAS中占有重要的地位。
2.对农艺形状良好的品系进行重测序
对于一些已经测序的物种或者作物来说，它们的某些品系或者性状优良作图亲本可能富含育种家们希望得到的优良性状或者种质资源。通过对这些材料重测序的基因组序列的比对分析，育种家们可以鉴定不同品系之间的全基因组范围内的变异，为后续的育种选择工作提供参考依据。Lai等人参考B73的基因组序列利用高通量测序技术对6个农艺性状优良的玉米自交系（Zheng58， ZD958， ND108，5003， 478 和Mo17）进行重测序。本次重测序共鉴定了1，272，134个SNPs，他们还鉴定了30，178个插入缺失突变，其中571个分布在基因编码区；经过生物信息学分析有超过3000个突变能够导致玉米基因地功能发生重大改变。这些重测序的信息可以极大地帮助育种家了解这几个优良玉米自交系之间的遗传规律和基因资源之间的互补关系，并且能帮助他们制定合理高效的育种策略和杂交组合。
3.对一些没有测序的作物进行从头测序
高通量测序技术同样可以用来对没有参考序列作物进行从头测序。现阶段很多序列信息可以应用到作物的高通量测序中来：a.一些模式作物或者和待测序作物亲缘关系较近的基因组或者转录组信息；b.利用罗氏454测序平台，先对感兴趣的作物的转录组进行测序。利用高通量测序技术可以很快覆盖作物基因组20几倍的短片序列，再利用上述两种序列为参考，可以确保较完整地将作物的基因组序列组装起来，从而完成基因组测序。在完成了作物的基因组从头测序后，育种家感兴趣的相关品系可以被用来重测序，由此产生大量的SNP标记可以用来后续的基因定位和MAS。
三、总结与展望
综上所述，高通量测序技术所开发的大量的基因组资源，包括各种基因组序列、转录组序列、分子标记、遗传图谱和物理图谱在作物遗传育种中有非常重要的应用，可以极大地推动这些作物的遗传育种工作。因此高通量测序技术能够让科学家对作物的基因组进行充分的研究，克隆并研究控制重要农艺性状的基因，掌握农艺性状的遗传规律，进而促进育种选择工作的开展，为作物遗传育种服务。
[参考文献]
[1]张天真等.作物育种学总论[M].北京：中国农业出版社，2003.
[2]Shendure J. Advanced sequencing technologies： methods and goals[J]. Nat Rev Genet，2004（05）.
[3]Sanger F. A rapid method for determining sequences in DNA by primed synthesis with DNA polymerase[J]. J Mol Biol，1975（94）.
[4]Rajeev K.Next-generation sequencing technologies and their implications for crop genetics and breeding[J].Trends Biotechnol，2009（27）.
[5]Carl W. The challenges of sequencing by synthesis[J].Nat Biotechnol， 2009（27）.
[6]Gerardo T. A new class of cleavable fluorescent nucleotides： synthesis and optimization as reversible terminators for DNA sequencing by synthesis[J]. Nucleic Acids Res，2008（36）.
[7]Harris T. Single-molecule DNA sequencing of a viral genome[J].Science，2008（320）.
[8]Varshney RK. Genetic molecular markers in plants： development and applications. In Genomic Assisted Crop Improvement： Genomics Approaches and Platforms （Varshney， R.K. and Tuberosa， R， eds）， 2007， pp： 13-30， Springer.
[9]Lai JS. Genome-wide patterns of genetic variation among elite maize inbred lines[J].Nat Genet，2009（42）.
[10]Barbazuk W. SNP discovery via 454 transcriptome sequencing[J]. Plant J，2007（51）.