基因組學(xué)和分子育種

1、關(guān)于基因組學(xué)與分子育種第一張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 基本概念1 基因組genome：一個(gè)物種單倍體細(xì)胞所含有的整套染色體，物種全部遺傳信息的總和，包括核基因組和細(xì)胞器基因組。植物基因組包括三部分：核基因組、線粒體基因組、葉綠體基因組第二張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2 基因組學(xué)genomics1986年提出，至今20年，已經(jīng)發(fā)展成為遺傳學(xué)中最重要的分支學(xué)科。定義：研究基因組結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化的科學(xué)。第三張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月以全基因組測(cè)序?yàn)槟繕?biāo)的結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structural genomics）弄清基因組中全部基因的位置和結(jié)構(gòu)，為基因功

2、能的研究奠定基礎(chǔ)。其目的是建立高分辨的遺傳圖譜、物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜和序列圖譜。以基因功能鑒定為目標(biāo)的功能基因組學(xué)（functional genomics) 利用結(jié)構(gòu)基因組學(xué)提供的信息，以高通量，大規(guī)模實(shí)驗(yàn)方法及統(tǒng)計(jì)與計(jì)算機(jī)分析為特征，全面系統(tǒng)地分析全部基因的功能。研究角度包括：生物學(xué)功能、細(xì)胞學(xué)功能、發(fā)育學(xué)功能等?；蚪M學(xué)研究?jī)?nèi)容基因組學(xué)研究應(yīng)該包括兩方面的內(nèi)容：第四張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月A.遺傳圖譜B.物理圖譜C.轉(zhuǎn)錄圖譜D.序列圖譜結(jié)構(gòu)基因組學(xué)第五張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月A. 遺傳圖譜：指基因或DNA標(biāo)記在染色體上的相對(duì)位置與遺傳距離。通常用cM表示（

3、基因或DNA片段在染色體交換過(guò)程中分離的頻率）。通過(guò)該圖譜可分清各基因或DNA片段之間的相對(duì)距離與方向，如靠近著絲?；蚨肆?水稻1號(hào)染色體第六張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月B. 物理圖譜：指DNA序列上兩點(diǎn)間的實(shí)際距離。用于確定各遺傳標(biāo)志間的物理距離有兩種物理圖譜：（1）以已定位的DNA序列標(biāo)記位點(diǎn)（STS）為位標(biāo)，以DNA實(shí)際長(zhǎng)度為圖譜距離的基因組圖譜。（2）由YAC和/或細(xì)菌人工染色體（BAC）連續(xù)克隆重疊群組成的物理圖譜。第七張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月A comprehensive rice transcript map containing 6591 exp

4、ressed sequence tag sitesC. 轉(zhuǎn)錄圖譜：以EST為位標(biāo)，根據(jù)轉(zhuǎn)錄順序的位置和距離繪制的圖譜，它是染色體DNA某一區(qū)域內(nèi)所有可轉(zhuǎn)錄序列的分布圖，是基因圖的雛形.反映在正常或受控條件下能夠表達(dá)的cDNA片段數(shù)目、種類、結(jié)構(gòu)與功能的信息。第八張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月D. 序列圖譜：以某一染色體上所含的全部堿基順序繪制的圖譜。人基因組 1號(hào)染色體局部第九張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月功能基因組學(xué)：基因功能預(yù)測(cè)所要預(yù)測(cè)的基因類型編碼基因（protein-coding genes）假基因（pseudogenes）RNA基因（functional RN

5、A genes）-tRNAtransfer RNA-rRNAribosomal RNA-snoRNAsmall nucleolar RNA-snRNAsmall nuclear RNA-miRNAmicroRNA第十張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月編碼基因預(yù)測(cè)幾類外顯子（ exons）:- 非翻譯區(qū)（noncoding）- 啟始外顯子（initial coding exons）- 中間外顯子（internal exons）- 終止外顯子（terminal exons）- 單一外顯子基因（some single-exon genes）第十一張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 基

6、因預(yù)測(cè)方法同源序列法 Homology-based searches依靠以前鑒定的基因序列比較基因組學(xué)comparative genomics不同物種染色體同源區(qū)段進(jìn)行比較, 分析和預(yù)測(cè)基因功能 第十二張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十三張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 植物細(xì)胞基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一 核基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1 由多條染色體組成，以染色質(zhì)形態(tài)存于核內(nèi)2 遺傳物質(zhì)含量差異最大。1000多倍3 無(wú)操縱子結(jié)構(gòu)，基因以基因家族形式出現(xiàn)。4 非編碼區(qū)多于編碼區(qū)5 基因不連續(xù)，為斷裂基因6 轉(zhuǎn)錄物為單順?lè)醋? 多個(gè)復(fù)制起點(diǎn)8 符合孟德?tīng)栆?guī)律第十四張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于

7、2022年6月二 線粒體基因組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1 DNA裸露，環(huán)狀或線狀2 分子長(zhǎng)度差異大，同一細(xì)胞內(nèi)也有差異3 非均一性4 操縱子結(jié)構(gòu)，為多順?lè)醋? 易發(fā)生變異6 表達(dá)調(diào)控類似原核生物7 只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)8 核外遺傳，屬母系遺傳第十五張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三 葉綠體基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1 DNA裸露，環(huán)狀2 遺傳物質(zhì)含量小，變化大3 不含有5-甲基胞嘧啶4 操縱子結(jié)構(gòu)，為多順?lè)醋? 幾乎所有核糖體操縱子基因順序都一樣6 表達(dá)調(diào)控類似原核生物7 只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn)8 核外遺傳，屬母系遺傳第十六張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 基因組圖譜構(gòu)建遺傳圖譜（genetic map

8、）物理圖譜（physical map）第十七張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月遺傳圖譜的構(gòu)建方法 理論基礎(chǔ): 連鎖與交換 基本方法: 兩點(diǎn)測(cè)驗(yàn)法和三點(diǎn)測(cè)驗(yàn)法第十八張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月植物遺傳圖譜的構(gòu)建 選擇研究材料（親本） 構(gòu)建分離群體 遺傳標(biāo)記檢測(cè) 標(biāo)記間的連鎖分析第十九張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月選擇親本 要求親緣關(guān)系遠(yuǎn)，遺傳差異大 但又不能相差太大以導(dǎo)致引起子代不育。 對(duì)備選材料進(jìn)行多態(tài)(差異)性檢測(cè)，綜合測(cè)定結(jié)果，選擇有一定量多態(tài)性的一對(duì)或幾對(duì)材料作為遺傳作圖親本。第二十張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月構(gòu)建作圖群體 第二十一張，PP

9、T共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月遺傳標(biāo)記的染色體定位 利用遺傳學(xué)方法或其它方法將少數(shù)標(biāo)記錨定在染色體上，作為確定連鎖群的參照系。 常用的方法： 單體分析 三體分析 代換系分析 附加系分析第二十二張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月標(biāo)記間的連鎖分析利用在兩個(gè)親本間有多態(tài)性的標(biāo)記分析分離群體中所有個(gè)體的基因型根據(jù)連鎖交換的情況，確定標(biāo)記之間的連鎖關(guān)系和遺傳距離有計(jì)算機(jī)軟件可以應(yīng)用第二十三張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月水稻遺傳圖 1994年，水稻第一張高密度遺傳圖譜 927個(gè)位點(diǎn)， 1383個(gè)標(biāo)記 1998年，1157個(gè)位點(diǎn)，2275個(gè)標(biāo)記 2000年，3267個(gè)標(biāo)記 高密度的遺

10、傳圖譜為基因組測(cè)序和遺傳研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二十四張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月物理圖譜的構(gòu)建 用分子生物學(xué)方法直接檢測(cè)DNA標(biāo)記在染色體上的實(shí)際位置繪制成的圖譜稱為物理圖譜。 有遺傳圖譜為什么還要構(gòu)建物理圖譜？ 第二十五張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月遺傳圖譜的缺陷 分辨率有限 人類只能研究少數(shù)減數(shù)分裂事件，不能獲得大量子代個(gè)體 測(cè)序要求每個(gè)標(biāo)記的間隔小于100kb 實(shí)際是599kb第二十六張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月遺傳圖譜的缺陷精確性不夠經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，交換是隨機(jī)發(fā)生的基因組中有些區(qū)域是重組熱點(diǎn)倒位、重復(fù)等染色體結(jié)構(gòu)變異會(huì)限制交換重組第二十七張，P

11、PT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月酵母遺傳圖與物理圖比較A 遺傳圖B 物理圖第二十八張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月物理作圖的方法1、限制酶作圖2、依靠克隆的基因組作圖3、熒光原位雜交4、序列標(biāo)簽位點(diǎn)作圖第二十九張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月限制酶作圖（restriction mapping）第三十張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月限制酶作圖（restriction mapping）第三十一張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月熒光原位雜交（fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH）第三十二張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于20

12、22年6月熒光原位雜交（fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH）第三十三張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月熒光原位雜交（fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH）第三十四張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月熒光原位雜交（fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH）第三十五張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月遺傳圖與物理圖的整合有些標(biāo)記既是遺傳標(biāo)記，又是物理標(biāo)記 RFLP標(biāo)記 SSR標(biāo)記 某些基因序列借助這些標(biāo)記可以將遺傳圖和物理圖整合起來(lái)第三十六張，PPT共四十九頁(yè)，

13、創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 基因組測(cè)序有了高密度的基因組圖譜，就可以開(kāi)始全基因組測(cè)序了測(cè)序的技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)在可以全自動(dòng)化測(cè)序的策略有兩個(gè)： 鳥(niǎo)槍法 克隆重疊群法第三十七張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鳥(niǎo)槍法（shotgun sequencing）第三十八張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鳥(niǎo)槍法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 不需要高密度的圖譜 速度快、簡(jiǎn)單、成本低缺點(diǎn)： 拼接組裝困難，尤其在重復(fù)序列多的區(qū)域主要用于重復(fù)序列少、相對(duì)簡(jiǎn)單的原核生物基因組第三十九張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月克隆重疊群法（clone contig） 將基因組DNA切割長(zhǎng)度為0.1Mb1Mb的大片段，

14、克隆到Y(jié)AC或BAC載體上 然后再進(jìn)行亞克隆，分別測(cè)定單個(gè)亞克隆的序列 再裝配、連接成連續(xù)的DNA分子。 這是一種自上而下（up to down）的測(cè)序策略 clone-by-clone method第四十張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月兩種基因組測(cè)序策略第四十一張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月The E.coli genome第四十二張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五節(jié) 功能基因組學(xué) 完成基因組測(cè)序，僅僅是基因組計(jì)劃的第一步，更重要的工作在于弄清楚： 基因組序列中所包含的全部遺傳信息是什么； 基因組作為一個(gè)整體如何行使功能。就是對(duì)基因組序列進(jìn)行詮釋的過(guò)程，也就

15、是功能基因組學(xué)的研究?jī)?nèi)容。 第四十三張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)序列分析搜尋基因 查找開(kāi)放閱讀框（open reading frame, ORF） 開(kāi)放閱讀框都有一個(gè)起始密碼子，ATG，還要有終止密碼子。 從ATG開(kāi)始，然后向下游尋找終止密碼子。 起始密碼子和終止密碼子之間的堿基數(shù)目要能夠被3整除 每一條鏈都有3種可能的閱讀框，2條鏈共計(jì)有6種可能的閱讀框. 計(jì)算機(jī)可以很快給出結(jié)果。第四十四張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月同源查詢 利用已經(jīng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)的基因序列與待查的基因組序列比對(duì)，從中查找可以與之匹配的堿基序列及其比例，用于界定基因。 同源查詢可以部分彌補(bǔ)ORF掃描的不足。第四十五張，PPT共四十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月同源查詢的依據(jù) 有親緣關(guān)系的物種，基因組可能存在某種程度的相似性： 存在某些完全相同的序列； ORF的排列相似，如等長(zhǎng)的外顯子； ORF指令的氨基酸序列相似； 模擬的多肽鏈的高級(jí)結(jié)構(gòu)相似，等。第四十六張，PPT共四