5) Next Generation Sequencing (NGS) - Applications of Whole Genome Sequencing

Applied Biological Materials - abm

31 May 201608:08

Summary

TLDR全基因组测序是一项强大的技术，随着成本下降正被广泛应用。它可用于从头组装基因组、比较参考基因组、研究物种分子进化、追踪病原体暴发源及分析单细胞基因组。视频通过亚麻基因组组装、弯曲杆菌暴发追踪以及蜜蜂对瓦螨寄生进化适应等实例，展示了该技术在农业、医学与进化生物学中的重要作用。全基因组测序以高精度和全面性揭示基因变化，为理解生命机制与防控疾病提供了关键工具。

Takeaways

🔬 全基因组测序（WGS）是一项越来越普及且成本下降的强大技术，可用于多种生物学应用。
🧬 WGS 可用于从头组装基因组（de novo assembly），比如使用短片段 shotgun 测序成功组装亚麻基因组的案例。
🌾 在亚麻组装实例中，研究者构建了多种插入片段长度的文库（300 bp 到 10 kb），并用配对末端和跳跃配对数据获得长程关联信息。
🧪 文库制备需要针对样本类型（如血液或植物组织）提取基因组 DNA，进行文库构建、质控、池化与归一化，然后使用 Illumina 等 NGS 平台测序。
📊 覆盖度和所需读长/读数取决于基因组类型和具体应用；亚麻组装最终得到覆盖预测基因组约 85% 的 scaffold，平均 45X 覆盖。
🧾 表达序列标签（ESTs）可用于定位编码基因：在亚麻研究中，93% 的已知 EST 与组装 scaffold 的比对身份大于 95%，显示组装准确。
🧫 WGS 在追踪病原体暴发上优于传统方法：以欧盟 2012 年 Campylobacter jejuni 研究为例，WGS 揭示了比 PFGE 更复杂的污染源情况。
⚠️ 传统金标准 PFGE 只能比较限制性内切酶切割的条带模式，容易掩盖不改变切位点的突变或错判因单核苷酸变化导致的切位点改变。
🔎 在 Campylobacter 研究中，WGS 发现患者分离株间存在高度分化，提示可能存在多个污染源或同一水源被多株污染，而不是单一来源事件。
🐝 WGS 也可用于研究分子进化：纽约 Ithaca 蜜蜂研究表明入侵 Varroa destructor 导致线粒体单倍型丧失（种群瓶颈），但核基因多样性没有下降。
✅ 蜜蜂研究推断现代种群可能来源于少数蜂后但通过高频率的远交与多配（polyandry）维持核基因多样性，并发现对蜱虫抗性的候选选择基因。
📚 WGS 提供了从疾病监测、演化研究到单细胞全基因组测序等广泛应用的精细数据，通常比传统方法更准确但仍需参考原始发表以获详细方法与参数。
💡 总结：WGS 因其高分辨率、灵活性和成本下降，已成为组装、注释、流行病学追踪与进化研究的重要工具；文库质量与测序覆盖是关键。

Q & A

什么是全基因组测序？
-全基因组测序是一种强大的技术，可以对生物体的整个基因组进行序列分析。它的应用越来越广泛，并且随着技术进步变得越来越实惠。
全基因组测序的主要步骤是什么？
-全基因组测序的主要步骤包括：提取基因组DNA，构建文库，进行质量检查、池化和标准化，然后使用Illumina平台（如NextSeq）进行测序。
全基因组测序可以应用于哪些方面？
-全基因组测序可以应用于基因组拼接、物种进化研究、病原追踪、单细胞基因组分析等多个领域。
全基因组测序如何组装基因组？
-基因组拼接通常使用Shotgun测序方法，结合使用mate-pair和paired-end读取，最终通过比对和组装生成contigs和scaffolds。
Flax植物的全基因组拼接是如何进行的？
-Flax植物基因组的拼接通过国际合作完成，使用短枪法进行测序，并结合7个文库的序列数据进行比对和拼接。最终生成的scaffolds覆盖了85%的基因组，具有45倍的平均覆盖度。
如何通过全基因组测序跟踪病原体爆发？
-全基因组测序能够更准确地追踪病原体的来源和演化过程。例如，在2012年欧洲的Campylobacter jejuni爆发中，通过全基因组测序重新分析了样本，揭示了传统PFGE方法无法发现的更多变异。
PFGE方法和全基因组测序在病原体追踪中的区别是什么？
-PFGE方法通过限制酶切割后的电泳带型来比较基因组，但该方法容易隐藏突变。全基因组测序则能更全面地捕捉到基因组的变异，提供更精确的追踪结果。
全基因组测序在蜜蜂种群分子进化研究中有何应用？
-全基因组测序用于研究蜜蜂种群对Varroa destructor寄生虫入侵的反应。研究发现，引入该寄生虫后，蜜蜂的线粒体单倍型出现剧烈丢失，显示出种群瓶颈效应。
蜜蜂种群在引入Varroa destructor后的遗传变化如何？
-研究表明，蜜蜂种群的线粒体遗传多样性显著下降，但核基因组的多样性并未减少。这表明现代蜜蜂种群是由少数皇后通过高频率的异交和多配对所后代化的。
全基因组测序在研究物种进化中的优势是什么？
-全基因组测序可以提供更高精度的遗传数据，帮助揭示种群如何随时间演化。例如，蜜蜂种群对寄生虫的适应性变化可以通过全基因组数据进行深入分析，识别出在进化过程中选择压力的基因。