三代測序技術在動植物基因組denovo中的應用

早在40年前,一代Sanger測序的出現,作為歷史性的轉折點,首次破譯人基因組序列;第二代測序(NGS)的發展,使得測序變得更快,更便宜,然而NGS具有自身的缺陷,其中最顯著的是其測序讀長短,這成為基因組denovo中最大的障礙;近幾年來逐漸興起的三代測序技術(TGS)其獲得高質量的測序數據的同時,在測序讀長上具有重大突破(二代NGS測序無法跨越高重復,高雜合區域,所以不利于后續基因組的組裝);三代(TGS)測序中可以很好的解決了高重復,高雜合基因組的組裝難題,使得基因組組裝指標實現從Kb到Mb的跨越。目前最廣泛應用的是PacBio三代單分子熒光測序和Nanopore三代單分子納米孔測序。

圖1 三代Nanopore測序Long reads解決高重復(A)和高雜合(B)基因組組裝[1]

PacBio三代單分子熒光測序

利用與二代測序相同的邊合成邊測序的原理,而并不預先進行PCR擴增,有效的解決了二代測序建庫過程中需要PCR擴增所產生的偏好性和錯誤的問題,可通過檢測單個 DNA分子的合成所產生的信號來進行測序,目前主要測序平臺為PacBio RSII和PacBio Sequel。

圖2 三代PacBio建庫測序原理[1]

自2015年利用純三代測序技術(PacBio)組裝復活草基因組[2]后(Contig N50=2.4 Mb),隨后有成功組裝出藜麥[3]等物種基因組,使得三代測序成為目前動植物基因組denovo中最主流的技術。
PacBio純三代基因組組裝案例(一):

PacBio純三代基因組組裝案例(二):

Nanopore三代單分子納米孔測序

Oxford公司的Nanopore測序技術借助單個分子通過納米孔時引起孔兩側電位差來實現信號檢測,納米孔的直徑僅允許單個核苷酸聚合物通過,而ATCG四種堿基的帶電性質不同,因此通過電信號差異特征即可檢測出通過納米孔的堿基類型,從而實現測序,目前主要測序平臺為Nanopore MinION、Nanopore GridIONx5、 Nanopore PromethION。

圖3 三代Nanopore建庫測序原理[1]

隨著近2年Nanopore三代測序平臺的興起,因其便攜性,測序成本低,測序讀長長,數據產出多等優點,所以成為后續取代PacBio平臺的最佳平臺,尤其可以在低成本,高質量的前提下,完成對大基因組物種基因組的破譯,因此成為了三代基因組組裝測序的最佳利器,同時自2017年至今,已發表了小丑魚[4],野生番茄[5]等多篇基因組文章。

Nanopore三代基因組組裝案例(一):

Nanopore三代基因組組裝案例(二):

 

圖4 三代測序平臺PacBio和ONT測序平臺的比較[1]

百邁客三代基因組denovo測序平臺

百邁客生物科技分別于2015年引進Pacbio測序平臺,2017年引進Nanopore測序平臺,成為國內基因組denovo測序平臺最多的公司之一,公司成立9年至今,在動植物基因組denovo中積累了豐富的項目經驗,具有多篇Nature級別文章發表,成為國內基因組測序的首選公司之一。

PacBio測序平臺

Nanopore測序平臺

參考文獻:

(1)Erwin L D, Yan J, Delphine N, The ThirdRevolution in Sequencing Technology. Trends in Genetics(2018).(2)VanBuren R, Bryant D, Edger PP., et al. Single-molecule sequencing ofthe desiccation-tolerant grass Oropetium thomaeum.Nature(2015).
(3)Jarvis DE, Ho YS, Lightfoot DJ, et al.The genome of Chenopodium quinoa [J].Nature(2017).
(4)Mun H T, Christopher M A, Michael P H.,et al. Finding Nemo: hybrid assembly with Oxford Nanopore and Illumina readsgreatly improves the clownfish (Amphiprion ocellaris) genome assembly. GiGaScience (2017).
(5)Maximilian S, Alexander V, Alisandra K,et al. De Novo Assembly of a New Solanum pennelliiAccession UsingNanopore Sequencing. The Plant Cell(2017).

 

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