从形式到功能社区测序计划组合公布
对于建筑师来说,“从形式到功能”意味着设计一个最符合其预期目的的建筑。对于基因组学研究人员来说,该术语可以应用于正在进行的过渡,不仅要研究生物体的遗传密码,还要了解这些基因在编码它们的生物体的生物学中起什么作用。为美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)的2013年社区测序计划(CSP)组合选择的几个项目正计划进行大规模研究,通过超越基本基因组序列转向RNA转录本(RNASeq)进行下一步代表在不同情况下“开启”的基因,并检查它们所需的环境,给出关于它们所做事情的暗示。在一些项目中采用的另一种方法涉及转座子诱变(TnSeq),一种在靶DNA中产生大量随机突变的方法。这些技术将使DOE JGI能够更深入地研究在能源和环境中具有潜在应用的生物的基因组和活动。
这些提案中的有机体来自各种各样的环境。它们从南非金矿地球表面以下近两英里的微生物,到南极半岛西部沿海水域的细菌,到可以在美国几个地区种植的作物,提供可再生的,可持续的生物燃料生物质来源,对能源作物产量构成威胁的真菌病原体。
选择的所有项目(108个完整提案中的29个)将序列数据生成与大规模实验和计算能力相结合,以实现更全面的功能基因组注释。研究人员提交的项目提案涉及植物 - 微生物相互作用,碳捕获和温室气体排放中涉及的微生物,以及环境利基或宏基因组学中微生物群落的研究等主题。项目提案由外部审查小组审查。CSP 2013产品组合的总分配量可能超过30万亿碱基(terabases或Tb) - 微生物,真菌和植物相当于10,000个人类基因组。
为CSP产品组合选择了两个DNA合成项目。一项提案来自约翰霍普金斯大学的Jef Boeke,他正领导着名为Sc 2.0的合成酵母基因组计划。该项目旨在设计,构建和替换面包酵母(Saccharomyces cerevisiae)的天然基因组,具有完全合成的版本。作为Sc 2.0的一部分,DOE JGI将合成染色体IV。在50万个碱基对中,这是1200万基础基因组中最大的染色体。酵母是生产燃料和其他化学品最常见的微生物“平台”之一,在生物能源研究中发挥着关键作用。
所选择的五个工厂项目包括由密苏里大学可持续能源中心主任Gary Stacey领导的Gene Atlas试点项目。该项目旨在为被认为是DOE JGI旗舰工厂的几种植物物种开发一个综合的基因表达指数。这些包括莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii),大豆(Glycine max),苔藓(Physcomitrella patens),杨树(Populus trichocarpa)和狐尾粟(Setaria italica)。
研究人员在他们的提案中指出:“现在我们已经付出了巨大代价生成了这些序列,我们需要添加信息以将其转换为功能模型。”
将在各种环境条件下研究五种植物中每种植物的表达反应,并且该团队还计划研究另外五种DOE JGI旗舰植物和三种比较模型物种。13种植物的比较研究将集中在这些植物的氮代谢及其对从藻类到草的基因表达的影响。
为CSP 2013产品组合选择的另一个项目由杜克大学的Kathryn Picard领导,重点是了解真菌与其藻类合作伙伴之间的共生关系。在澳大利亚从南极山毛榉森林的土壤中分离,真菌Rhizidium phycophilum帮助藻类Bracteacoccus。对这两个基因组进行测序,尤其是基因组中具有功能信息的部分,该团队在他们的提案中指出,可以导致藻类基因的鉴定,这些基因可以帮助增加生物燃料应用中的藻类生物量。
从批准的七个真菌项目中,一个提案旨在为他们做ENCODE项目为人类基因组计划所做的工作。由加州大学伯克利分校研究员N. Louise Glass领导的真菌营养ENCODE项目旨在全面绘制粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)的营养和代谢调节网络,该网络生长在腐烂的植物生物量上,以识别和提高纤维素酶的生产力。这可以用于工业生物燃料生产。
另一个项目是由法国国家农业研究所(INRA)的弗朗西斯·马丁领导的菌根基因组学倡议。该团队计划研究转录成RNA或转录组的基因组中的几十种真菌,这些真菌与植物形成共生关系,以更多地了解这些相互作用发生的机制。共生真菌为植物提供营养和水,并在管理森林生态系统中的碳和氮水平方面发挥关键作用。
选择了15个微生物和宏基因组项目,其中许多项目要求使用单细胞基因组学来研究难以培养的微生物和元转录组学,以关注编码基因表达的基因组部分。
其中两个项目是与几个国家实验室的合作。由能源部资助,下一代生态系统实验(NGEE)致力于更多地了解北极生态系统对气候变化的响应,以便科学家能够为气候变化模型开发更好的模拟。伯克利实验室的地球科学家Janet Jansson是CSP项目的负责人,该项目的重点是从阿拉斯加州巴罗的永久冻土带中取出的样品中分离出的微生物群落的基因组学。冷冻土壤储存了大量的碳,全球气温上升也引发了对永久冻土融化和被困碳排放到大气中的潜在结果的担忧。NGEE联盟还包括橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员,
另一个大型项目利用早期的CSP项目来填补生命之树的空白。2007年,细菌和古细菌基因组百科全书(GEBA)开始对来自较少探索的分支(“微生物暗物质”)的未培养微生物进行测序; 到目前为止,该项目已完成250多个微生物基因组。CSP 2013组合中的细菌和古细菌功能百科全书(FEBA)计划采用称为转座子诱变和测序的高通量方法来确定40 DOE-mission相关微生物的基因组中的基因功能。该项目由伯克利实验室的Adam Deutschbauer领导。
“虽然高通量DNA测序的进步使微生物基因组测序变得容易,但基因组的功能注释仍然非常困难,”Deutschbauer及其同事在他们的提案中指出。“因此,需要新的高通量方法来确定系统发育不同的微生物的基因功能。”
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