大家好，本周我分享的文獻(xiàn)是一篇前瞻性文章，什么是前瞻性文章呢？
先給大家簡(jiǎn)單解釋一下吧，前瞻性文章（perspective）是對(duì)某主題現(xiàn)有的問題、基礎(chǔ)概念或普遍的觀念提出獨(dú)特的觀點(diǎn)，提出新的假設(shè)，或是討論落實(shí)新創(chuàng)新的含意。前瞻性文章會(huì)聚焦在特定主題的目前發(fā)展和未來方向，也有可能包含原始數(shù)據(jù)和個(gè)人意見。
文章題目：Advancing crop genomics from lab to field （從實(shí)驗(yàn)室到田間的作物基因組學(xué)進(jìn)展）
期刊：Nature Genetics
影響因子：IF = 27.603; 中科大類: 生物 1區(qū); 中科小類: 遺傳學(xué) 1區(qū); JCR分區(qū): Q1
發(fā)文單位：美國(guó)紐約大學(xué), 紐約大學(xué)阿布扎比分校和Bayer Crop Science, Chesterfield, MO, USA
文章作者：Michael D. Purugganan 和Scott A. Jackson
摘要：作物基因組學(xué)是確?？茖W(xué)進(jìn)步以確保全球糧食安全的關(guān)鍵因素。 自從第一個(gè)植物基因組——擬南芥的序列發(fā)布以來，已經(jīng)過去二十多年。目前已經(jīng)對(duì)超過100多種作物的基因組進(jìn)行了測(cè)序，植物基因組研究已經(jīng)擴(kuò)展到多個(gè)領(lǐng)域，新技術(shù)和新方法的出現(xiàn)在未來有望推動(dòng)其進(jìn)一步的發(fā)展。同時(shí)作物基因組測(cè)序、基因圖譜和多層次生物數(shù)據(jù)獲取方面的持續(xù)創(chuàng)新，以及生物組織的多個(gè)維度基因組信息整合，推動(dòng)了我們對(duì)作物生物過程的理解，反過來又推動(dòng)了研究成果從實(shí)驗(yàn)室向大田的轉(zhuǎn)化。
主要觀點(diǎn)：
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基因組測(cè)序的新時(shí)代
測(cè)序一直是基因組科學(xué)的基石，在過去的二十年中，已經(jīng)對(duì)大約10種谷類作物和超過100種蔬菜和水果的基因組進(jìn)行了測(cè)序（圖1）。短讀長(zhǎng)測(cè)序技術(shù)的創(chuàng)新（如改進(jìn)的連接讀長(zhǎng)測(cè)序），同時(shí)長(zhǎng)讀長(zhǎng)讀測(cè)序（包括單分子實(shí)時(shí)測(cè)序和納米孔方法）的易用性和成本的降低，改善了基因組組裝，使得常規(guī)處理全基因組測(cè)序項(xiàng)目成為可能。
長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序、genome-wide contact和限制性圖譜、高通量染色體構(gòu)象捕獲和光學(xué)圖譜等等，這些方法與改進(jìn)的基因組組裝計(jì)算工具相結(jié)合，使得在大量的物種中產(chǎn)生了更高質(zhì)量的參考基因組序列。鑒于測(cè)序成本的降低以及測(cè)序和組裝的便利性，在今后基因組資源將更多應(yīng)用于當(dāng)?shù)匚锓N——所謂的孤兒作物，這些物種可能沒有全球重要性，但對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和糧食系統(tǒng)卻至關(guān)重要。
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圖1. 幾種重要作物物種的基因組序列發(fā)布時(shí)間表。圖中顯示了對(duì)應(yīng)物種基因組序列的發(fā)布年份，以及基因組的估計(jì)大小或組裝大小。擬南芥被列為第一個(gè)被測(cè)序的植物基因組，具有里程碑意義。單位（Mb）。
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擴(kuò)展遺傳圖譜
近二十年來，通過數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）定位和全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）結(jié)合分子遺傳學(xué)分析，對(duì)農(nóng)業(yè)性狀的關(guān)鍵基因進(jìn)行鑒定，實(shí)現(xiàn)了重要基因座的克隆和功能研究。在過去的10年里，已經(jīng)有超過1000個(gè)發(fā)表在20多種作物中的GWAS。QTL定位和GWAS方法有助于鑒定主效基因，但對(duì)多基因性狀的遺傳分析仍然不足。另外，目前研究的重點(diǎn)是加性基因，而識(shí)別與上位性和基因與環(huán)境相互作用相關(guān)的基因座則困難得多。
剖析表型背后的遺傳機(jī)制是非常包含復(fù)雜的，在這個(gè)系統(tǒng)中，基因組學(xué)方法將繼續(xù)擴(kuò)展。系統(tǒng)方法研究包括多層次的組織，從基因組序列到單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)，從發(fā)育軌跡到多物種相互作用（包括病原體、昆蟲和微生物組）和多環(huán)境干擾。這將需要在全基因組范圍內(nèi)收集各種功能基因組和表觀基因組信息，這些信息可用于推斷基因功能和調(diào)控（圖2）。我們面臨的挑戰(zhàn)是如何以一種最優(yōu)方法利用不同的組織和時(shí)間尺度獲得有意義的數(shù)據(jù)，并整合這些數(shù)據(jù)。
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圖2. 全基因組功能基因組和表觀基因組信息圖譜。除了序列數(shù)據(jù)，對(duì)各種功能和生化標(biāo)記的分析能力為理解基因功能和調(diào)控提供了新的工具。以水稻為例，基因模型顯示在頂部，各種特征的水平顯示在下面，包括RNA-seq， ATAC-seq，甲基化水平，以及各種組蛋白甲基化和乙?；揎?。
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作物系統(tǒng)基因組學(xué)
目前，雖然在鑒定農(nóng)藝改良的關(guān)鍵基因方面取得了成功，但對(duì)基因功能及其如何影響作物表型的理解仍然欠缺。在未來的幾年中，應(yīng)更多地關(guān)注揭示性狀的分子機(jī)制，并在基因型和表型之間建立聯(lián)系，以便將這些知識(shí)應(yīng)用于作物改良。最后，隨著越來越多的系統(tǒng)基因組學(xué)方法被采用，現(xiàn)在在作物物種中常規(guī)獲得的基因組數(shù)據(jù)的數(shù)量、質(zhì)量和類型將繼續(xù)增長(zhǎng)。我們?cè)诂F(xiàn)在（或不久之后）就有數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)多個(gè)層次的生物學(xué)相關(guān)性,從而獲得新的生物學(xué)見解。為實(shí)現(xiàn)研究從實(shí)驗(yàn)室到田間的轉(zhuǎn)化提供理論基礎(chǔ)。
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圖3. 多層次的功能基因組、表觀基因組生物和生態(tài)系統(tǒng)信息。這里需要在生物的層次結(jié)構(gòu)中整合信息。例如，從左到右，我們可以有基因組序列和表觀基因組標(biāo)記、三維染色體構(gòu)象、基因表達(dá)數(shù)據(jù)（假設(shè)在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組水平上聚類）、組織/器官和生物體表型以及野外環(huán)境/生態(tài)系統(tǒng)因素。最大的挑戰(zhàn)在于如何在實(shí)踐和概念上跨越這些不同的尺度進(jìn)行信息的整合。
作物基因組學(xué)是21世紀(jì)頭20年農(nóng)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力?；蚪M測(cè)序和分析多層次功能基因組和表觀基因組信息已被證明對(duì)人類更清楚地理解植物生物學(xué)至關(guān)重要。整合多層次的數(shù)據(jù)，例如整合基因表達(dá)、代謝組學(xué)和環(huán)境數(shù)據(jù)；或三維染色體構(gòu)象與序列數(shù)據(jù)和進(jìn)化信息，對(duì)我們來說是一個(gè)機(jī)會(huì)。隨著基因組技術(shù)和計(jì)算方法的不斷發(fā)展，我們探索重要植物性狀的能力不斷增強(qiáng)，這些性狀可以轉(zhuǎn)化為田間作物的改良?；蚪M科學(xué)將在最大程度上保證糧食安全，以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
文中所有圖片均來自Advancing crop genomics from lab to field
文中有表述不當(dāng)?shù)牡胤剑俏业膯栴}，請(qǐng)?jiān)诤笈_(tái)與小編聯(lián)系修改，謝謝理解與支持。
文章鏈接地址：https://www.nature.com/articles/s41588-021-00866-3
參考文獻(xiàn)：
- Purugganan, M.D., Jackson, S.A. Advancing crop genomics from lab to field. Nat Genet**53, **595–601 (2021). https://doi.org/10.1038/s41588-021-00866-3
