泛基因组

   泛基因组是指存在于某一物种中的全部基因序列，分为核心基因（Core Genes）和非核心基因（Dispensable/Variable Genes），核心基因是指大部分负责调控生命体的基因代谢功能，较为保守。非核心基因是指在两个及以上的动植物品系或者菌株中存在的基因。通常而言，非核心基因大多是可变基因，可能控制个体间呈现出的关键适应性形状（抗病性、抗寒性、抗旱性等）。因此对非核心基因中的结构变异的研究是泛基因组重点关注的对象。在漫长的进化过程中，由于环境因素和人为选择的影响，同一物种的不同品系间都形成了极其特别的遗传性状，有效的发现和利用遗传变异是作物改良的关键，从而可以应对未来气候变化的挑战。

研究泛基因组对于育种有重要意义：

1.  揭示基因组多样性和进化过程：泛基因组可以帮助科学家更全面地了解一个物种内部的基因组变异和多样性，以及这些变异和多样性是如何形成和演化的。通过比较不同个体的基因组，可以揭示物种内部的遗传结构和进化历程，为进化生物学的研究提供重要的信息。

2.  发现物种特有的基因：泛基因组研究可以帮助科学家发现物种特有的基因。这些特有基因可能与物种的适应性、生态角色等方面密切相关，对于理解物种的生态适应性和进化特征具有重要意义。

3.  探索功能基因组：泛基因组不仅包含了基因组中的所有基因，还包括了基因组中的非编码区域和调控元件。因此，泛基因组研究可以帮助科学家更全面地探索基因组的功能，包括基因调控、表观遗传学等方面。

4.  优化育种策略：泛基因组研究为畜牧育种提供了更全面的遗传信息和工具，有助于优化育种策略和方法。通过对泛基因组的分析，可以选择性地引入或淘汰特定基因型，加速育种进程，提高育种效率。

5.  增强畜牧动物的适应性和抗逆性：泛基因组研究有助于发现畜牧动物种群中具有适应性和抗逆性的基因型和基因，从而选育出更具适应性和抗逆性的品种，提高畜牧动物对环境变化和疾病的抵抗能力，减少养殖过程中的损失。

     泛基因组的一般研究方法是，从待研究物种群体中选择具有足够遗传多样性的代表来捕捉大部分变异，通常20-30个品系可以完成该工作。然后对这20-30个品系进行全基因组测序以及全长转录组测序，从基因组层面和转录组层面打造高质量参考基因组。接着就可以在剩余的物种内进行低覆盖率的重测序，以进一步分类每个品系并捕获全部的变异。

      HiFi Reads是PacBio测序平台推出的兼顾长读长和高准确度的测序技术。作为PacBio最新的数据类型，既兼顾长读长(10-25 kb的长度)又具有高准确度(≥99.9%准确率)的HiFi reads，可以提高变异检测效率，减少组装时间，并能够全面识别复杂的基因组区域的细微差别，有助于增加基因组组装的连续性、准确性和完整性，可以实现多倍体基因分型。在泛基因组研究中可以提供高质量的参考基因组，同时可以有效节约生信分析的时间，大大加速大型泛基因组研究的效率。

       首先，研究人员对24个taurine牛进行了单倍型组装。研究人员分析了七个taurine牛品种的24个基于HiFi测序的长读长测序组装结果，以探究头部色素沉着的遗传基础。通过trio-binning（N=6）或daul-assembly（N=8）组装的14个新生成的HiFi单倍型，这些单倍型来自Simmental、Evolèner、Rätisches Grauvieh、Brown Swiss、Original Braunvieh和Braunvieh牛。这些新生成的组装具有高度连续性，平均contig N50为78.2 Mb，准确性平均质量值（Quality Value, QV）为48，或者大约每62 kb有一个错误。研究结果表明，头部色素沉着在这24个taurine牛组装中呈现出分离的特征，这可能与不同品种之间的遗传差异有关,如图1所示。对这些组装进行分析，显示了对牛头部着色特征背后的遗传变异的深入理解，同时展示了利用基于HiFi测序技术的高质量、长读取序列技术能力在揭示复杂遗传变异方面的重要性。

图1.taurine牛单倍体组装(A)纯种白头Simmental牛与其雌性幼崽。(B)24个taurine1号染色体的基于Mash的系统发育树。具有白色/彩色头部表型的品种的样本名称分别为红/黑。

          紧接着，研究人员通过建立泛基因组图谱（pangenome graph）并进行关联性测试，鉴定出与特定性状相关的复杂结构变异。为了使复杂的结构变异成为关联测试的对象，研究人员将24个单倍型组装体纳入泛基因组图谱中。运用无参考序列的基础层级对齐技术PGGB进行构造。通过评估每个组装体通过图谱的路径所采取的1 kb窗口矩阵间的Jaccard相似性比率，研究者找到了一个与白头现象关联的显著峰值，在BTA6染色体的70.09-70.12 Mb区间，以及一个较弱关联的位点在BTA6的70.05 Mb附近。此外，标识了一个大型、复杂的气泡结构，包含BTA6:70099582-70123136的一个区段，其中有色头动物组装体相对于参考基因组显示出一个约20.6 kb的缺失，而三个白头Simmental组装体含有比基于Hereford的ARS-UCD1.2组装体更多的序列。

图2. 牛的白头与6号染色体上的SV气泡有关。(A) Jaccard相似性比率，研究者找到了一个与白头现象关联的显著峰值，在BTA6染色体的70.09-70.12 Mb区间，以及一个较弱关联的位点在BTA6的70.05Mb附近。(B)两个气泡分别位KIT(NM_001166484.1) 翻译起始点上游66 kb和113 kb，这是一个先前报道的牛头部脱色的位置和功能候选基因。

图3.KIT 基因上游性状相关气泡的拓扑结构。(A) 绷带图显示了三个观察到的等位基因（两个为白头品种，一个为彩头品种）穿过全基因组的路径。该品种的 n=1。灰色箭头路径表示片段复制区域，而绿色和红色箭头路径分别表示片段复制之前和之后的序列。(B) 候选 SV 区内的重复结构，适用于 5 类基因组元件。起始和结束序列取自 (A)，而完整拷贝是指在所有三个Simmental组件中发现的 14.3 kb 片段重复拷贝。箭头方向表示重复元素的链（+/正向和-/反向）。

       最后，文中探讨了基于短读长测序的基因组序列比对，确认了复杂结构变异（SVs）会导致白头牛头部脱色。研究人员收集了250个公开可用的全基因组短读长测序样本，涵盖了15个taurine牛品种。通过对这些样本进行比对，估计了这些样本的平均读长深度，并验证了与头部脱色相关的结构变异与不同品种之间的关联。研究结果显示，Simmental、Hereford、Groningen White Headed、Kazakh White Headed、Yaroslavl、Montbéliarde和Normande等品种的牛展示了不同类型的白头表型，而其他品种则没有。通过对这些样本进行基因型分析，研究人员发现头部脱色表型在不同品种之间呈现出遗传差异，这表明复杂结构变异可能是导致白头牛头部脱色的潜在原因，如图4所示。对参考比对中调用的序列变异基因型进行主成分分析，验证了每个样本的品种识别关联。白头和有色头品种的牛有时比两头白头品种的牛在聚类上更接近，这表明该等位基因可能不是特定祖先taurine牛谱系的私有基因，而是在更远缘相关的品种中分离，可能表明有混合。此外，这也可能表明致病突变事件发生在现代牛品种形成之前，或者表明等位基因的异质性。