图1 图片来源：An Overview of Genome Organization and How We Got There: from FISH to Hi-C. Microbiol Mol Biol Rev 2015

将泛基因组学与三维基因组学结合起来一同研究，可以视为一个新的研究方向。2022年12月，《Nature Genetics》上刊载的一项研究成果，详尽描述了二倍体棉属的泛基因组，同时整合了先进的三维基因组学技术，从而成功构建并阐述了棉属植物的泛三维基因组结构（Wang et al., 2022）。我们一起来看看这篇文章的研究思路吧！

1、以棉花的近源物种叉柱棉作为外类群进行系统发育树重建，同时对棉属每个谱系做祖先核型推断，鉴定重排事件，此外还研究了群体演化历史以及有效种群大小；

2、选择所有的二倍体棉花材料构建泛基因组，共线性及结构变异分析，并使用hic数据和pcr扩增方法对变异验证；

3、研究不同的转座元件的分布以及不同分支TE的扩增情况；

4、选择覆盖所有核型的8个棉材料进行hic、ATAC和RNAseq，构建高分辨率全基因组染色质互作图，研究A/B室变化的单拷贝同源基因，同时研究TAD以及TAD与SV的相关性（图2）；

5、染色质环loop介导的互作重组研究，根据序列保守和染色体互作的发生情况，将loop间的互作关系进行分类，包括调控区、基因区等等；

6、利用重测序GWAS以及转录组、eQTL、hic等数据对不同发育阶段的纤维长度的调控进行研究；

7、根据纤维长度，进一步将所有二倍体棉分组，通过棉纤维相关基因以及表达模式进行对比，挖掘棉纤维进化相关的候选基因。

有参转录组的分析方法想必大家都了解，测序reads比对到参考基因组，从而实现基因表达定量。但即使是同一物种，不同来源的材料之间也存在序列差异，所以单一物种的参考基因组并不能很好地解释整个物种的基因多样性，即该参考基因组不能提供足够的信息来进行准确映射，这被称为参照偏差。2023年初，发表在《Nature Methods》杂志上的一篇论文中，美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校（UCSC）的研究人员则介绍了有史以来第一种使用“泛转录组”分析全基因组RNA测序数据的方法。

该研究同时发布了一个工具包，允许研究人员将个人的RNA数据映射到一个更丰富的参照物上-泛基因组，解决参考信息的偏差，并带来更准确的映射。基于该工具，科学家们可以利用现在从泛基因组中获得的更多样化的数据来改进基因表达数据的测量，这些数据在个体之间可能有很大差异；同时还可以获取个体RNA的剪接片段，绘制出它们在泛基因组上排列的位置，确定数据属于哪个单倍型，并分析基因表达（图3）。

图3 单倍型感知转录组分析管道图（Sibbesen JA et al., 2023）

该系列第一篇推文中，我们提到过，基于单倍型T2T基因组的泛基因组研究在人类领域的应用。此外，在植物领域也逐渐出现了类似的研究。例如，2023年《Genome Biology》上发表的北美葡萄超级泛基因组研究中，使用9个葡萄材料拆分为18个单倍型参考基因组，完成了葡萄属的超级泛基因组构建工作（图4）。又比如，2023年10月发表于Horticulture Research期刊上的题为“Blueberry and cranberry pangenomes as a resource for future genetic studies and breeding efforts”的研究论文，作者选用了共30个越橘属材料（包括蔓越莓和蓝莓），其中北方高丛蓝莓基因组则为单倍型级别（Yocca AE et al., 2023）。2023年 Molecular Plant上发表的异源四倍体棉泛基因组研究中，共使用了12个棉材料，其中包括11个已发表的材料和1个从头组装的Tanguis秘鲁海岛棉，从头组装Tanguis基因组时，重点进行了着丝粒序列的预测及Chipseq实验验证，解析了部分较难组装的复杂区域（Jin  et al., 2023）。

前文说到，利用图泛基因组可以提高对SV的检测能力，所以大量已发表的泛基因组研究中，会在泛基因组构建完成之后，基于大样本量群体开展SV-GWAS研究，用于辅助育种。但部分研究由于受限于材料稀少等因素，在开展泛基因组研究时，则重点研究目标材料所能覆盖的遗传多样性，即泛基因家族的特征、多样本的比较基因组分析等，这也可以帮助我们完成对更多物种遗传多样性更全面、准确的解析。例如，2023年发表的一项菱角泛基因组研究中，研究团队则根据物种特性，主要分析了菱角泛基因组的基本特征（核心和可变基因家族研究）、泛TE家族构建、PAV鉴定构建图泛基因组以及亚基因组的不对称演化等（图5）。

图 5 菱角泛基因组基本特征研究  （Zhang X,et al., 2023）

最后，我们给大家汇总了部分专业期刊上发表的泛基因组热点研究内容（见下表），方便大家查阅和参考。

参考文献：

Fraser J, Williamson I, Bickmore WA, Dostie J. An Overview of Genome Organization and How We Got There: from FISH to Hi-C. Microbiol Mol Biol Rev. 2015.

Wang M, Li J, Qi Z, Long Y, Pei L, Huang X, Grover CE, Du X, Xia C, Wang P, Liu Z, You J, Tian X, Ma Y, Wang R, Chen X, He X, Fang DD, Sun Y, Tu L, Jin S, Zhu L, Wendel JF, Zhang X. Genomic innovation and regulatory rewiring during evolution of the cotton genus Gossypium. Nat Genet. 2022.

Sibbesen JA, Eizenga JM, Novak AM, Sirén J, Chang X, Garrison E, Paten B. Haplotype-aware pantranscriptome analyses using spliced pangenome graphs. Nat Methods. 2023.

Cochetel N, Minio A, Guarracino A, Garcia JF, Figueroa-Balderas R, Massonnet M, Kasuga T, Londo JP, Garrison E, Gaut BS, Cantu D. A super-pangenome of the North American wild grape species. Genome Biol. 2023.

Yocca AE, Platts A, Alger E, Teresi S, Mengist MF, Benevenuto J, Ferrão LFV, Jacobs M, Babinski M, Magallanes-Lundback M, Bayer P, Golicz A, Humann JL, Main D, Espley RV, Chagné D, Albert NW, Montanari S, Vorsa N, Polashock J, Díaz-Garcia L, Zalapa J, Bassil NV, Munoz PR, Iorizzo M, Edger PP. Blueberry and cranberry pangenomes as a resource for future genetic studies and breeding efforts. Hortic Res. 2023.

Jin S, Han Z, Hu Y, Si Z, Dai F, He L, Cheng Y, Li Y, Zhao T, Fang L, Zhang T. Structural variation (SV)-based pan-genome and GWAS reveal the impacts of SVs on the speciation and diversification of allotetraploid cottons. Mol Plant. 2023.

Zhang X, Chen Y, Wang L, Yuan Y, Fang M, Shi L, Lu R, Comes HP, Ma Y, Chen Y, Huang G, Zhou Y, Zheng Z, Qiu Y. Pangenome of water caltrop reveals structural variations and asymmetric subgenome divergence after allopolyploidization. Hortic Res. 2023.