探索未知：新一代测序支持物种研究

简介

地球上有多少个物种？这是一个研究人员一直难以回答的基础问题。虽然人们已经对200万种不同的物种进行了分类，但地球惊人的多样性意味着可能还有更多的植物、昆虫和微生物尚未被发现。日本冲绳岛冲绳科学技术研究所（OIST）的研究人员的目标之一是帮助识别和描述陆地和海洋物种的多样性并为其编写目录。

这是一个大规模的项目。以海洋为例，鉴于其巨大的面积和深度，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）认为，迄今为止，只有不到10%的海洋物种进行了分类和编目。¹借助新的方法，科学家们现在估计世界上有大约有10亿到60亿种现存物种，比那些已经在科学经典中描述的物种多一千倍。²

Nana Arakaki博士是日本冲绳OIST DNA测序部门（SQC）的经理，Ryo Koyanagi博士曾是该部门的研究支持专家。

新一代测序为研究提供了信息

Nana Arakaki博士是OIST DNA测序部门（SQC）的经理。SQC团队使用高通量NovaSeq 6000系统在脊索动物和其他海洋生物的进化基因组学研究中进行了测序。作为OIST的核心实验室，SQC团队会为OIST的动物学家和生物学家，以及世界各地的其他研究人员提供测序服务。

Arakaki博士说：“我们的服务范围包括从头测序、重测序、RNA-Seq、ChIP-Seq和扩增子测序。我们与不同的研究单位合作，支持对各种海洋无脊椎动物的研究，包括海星、橡子虫、珍珠牡蛎、章鱼、鱿鱼，以及不同的海藻。”

他们对海洋生物的关注并非偶然。Noriyuki Satoh教授备受推崇的海洋基因组学实验室就在OIST。“日本在海洋生物学研究方面有着悠久的传统，”Satoh教授说。“我们在全国各地有不同的海洋监测站，研究人员发现了大量关于生活在这些监测站周围的不同生物的信息。今天，研究人员可以利用这些生物的基因组序列来加速进一步的研究。”

了解和保护冲绳的生物遗产

OIST任务的一部分是开展能够“为冲绳的可持续发展作出贡献”的研究。³为此，Arakaki博士和她的团队正在开展多个直接影响冲绳生态系统和产业的项目。Arakaki博士说：“我们正在对冲绳岛附近或岛上发现的生物进行多个从头测序的项目。”“其中一些很重要，我们可以通过它们来支持其对动物进化史的研究。而其他项目会对冲绳经济产生影响。”

该实验室开展的主要项目之一是对棘冠海星（Acanthaster planci）的基因组进行测序。除了热带气旋，这种掠食性海星被认为是整个太平洋硬珊瑚礁遭到破坏的主要原因之一。^4,5“棘冠海星是珊瑚礁的天敌，”SQC团队的前研究支持专家Ryo Koyanagi博士说。“了解它们如何破坏珊瑚礁，以及它们为何有如此大的破坏力对于保护珊瑚礁非常重要。在研究了海星的基因组后，我们发现这种海星的种群遗传学非常有趣。”

棘冠海星以硬珊瑚为食。在“爆发”期间，大量海星聚集在一个珊瑚礁上会对其产生巨大的破坏。科学家们不知道这么多棘冠海星如何聚集或为何会聚集在一个地方。SQC提供的新一代测序（NGS）服务，使Satoh教授及其同事能够识别可以让海星相互交流的基因，为未来的生物控制策略提供了一个新的靶点。

“测序成本的降低正吸引更多OIST研究人员使用我们的测序服务，使他们能够从分子生物学的角度研究动物门类。”

SQC团队还对其他珊瑚物种的基因组进行了测序。Koyanagi博士说：“通过研究珊瑚的基因组，我们可以知道为什么它们可能会突然大面积消失，也许是因为温度的原因。了解基因背景和我们从测序中获得的其他信息，能让我们对这些生物有更多了解。”

OIST的研究人员与SQC合作，在以下方面取得了惊人的发现：竹叶青蛇毒素的进化⁶；共生甲藻（Symbiodinium，一种重要的单细胞生物，能保持海洋生态系统健康）的光合特性；⁷褐藻（一种可食用海藻）的基因组学。⁸目前的研究主要集中在对当地的鱼类、海藻、陆生动物（比如Shikuwasa，一种原产于该岛的柑橘类水果）进行测序。

“我们岛屿上的所有物种都非常特殊，”Koyanagi博士解释道。“它们是我们文化的一部分。它们的基因组数据将帮助我们了解这些物种及其进化的故事。由于它们在冲绳有进行培育，了解它们的基因组对农业产业的发展也有重要的意义。这些数据将帮助我们提高生产力、种植能力和抗病能力。”

使用NovaSeq 6000系统探索未知世界

测序曾经是一项费时费力的工作。完成基本的基因组分析就要几周的时间。Arakaki博士说：“在NGS之前，我们的研究使用的是桑格测序，它只能针对有限数量的基因。由于技术上的限制，有许多假说无法得到验证。”

Arakaki博士认为，NovaSeq 6000系统对他们的工作产生了积极的影响。该系统大大降低了测序成本，提供了更大的灵活性和准确性。在使用NovaSeq 6000系统之前，该团队现在执行的测序项目是不可想象的，成本非常昂贵而且非常耗时。

“NovaSeq 6000系统的产量很高，分析非常精妙，”Koyanagi博士说。“我们可以很容易地完成400 Mb的基因组数据，而不是只能完成20 Mb。测序周转时间短，让Satoh教授无需与其他专家合作就能完成项目。使用桑格测序需要数年时间才能完成的项目，现在用NGS在几天内即可完成。”

Koyanagi博士赞赏了NovaSeq 6000系统改进后的用户界面，以及它的易用性和灵活性。Koyanagi博士补充道：“所有的试剂都装进了卡盒，操作起来要容易得多。我们不再担心出现错误。NovaSeq 6000系统运行时间短，很方便我们安排测序计划。我们不必等很长时间来才能完成工作。NovaSeq 6000系统效率很高。”

然而，对于SQC团队来说，NovaSeq 6000系统最重要的特性是其高数据质量。该系统使他们能够以更高的分辨率进行分析，不需要使用参考基因组进行测序，并且使用的数据量更少。Arakaki博士说：“我们开始使用NovaSeq 6000系统来降低测序成本，这样就可以在预算之内运行更多的样本。而且，它还有很多其他优势。NovaSeq 6000系统对于我的工作来说是非常宝贵的工具。能够参与如此重要的项目，尽我所能帮助研究人员实现他们的目标，我感到非常荣幸。”

继续向前

目前SQC的研究包括对军曹鱼进行测序，军曹鱼是一种生活在冲绳和太平洋等地的鱼类。他们计划继续对各种海洋生物以及冲绳本土的陆生物种进行测序，尽自己的一份力，为日本及其他地区新的、有趣的物种进行编目。

“NovaSeq 6000系统正在改变OIST的研究，”Koyanagi博士说。“它的高通量分析使我们能够快速分析数据。测序成本的降低正吸引更多OIST研究人员使用我们的测序服务，使他们能够从分子生物学的角度研究动物门类。”

Arakaki博士补充道：“我们对于NovaSeq 6000系统将在未来水产研究中发挥的作用感到非常兴奋。有新发现的可能性很大，因为这个地区在很大程度上还没有被探索过。”

Koyanagi博士对此表示非常赞同。“还有很多物种需要测序，在这里和世界其他地方还有很多物种需要探索，”Koyanagi博士说。“很高兴听到研究人员对于我们提供的测序数据有收获。NovaSeq 6000系统似乎总能发现一些意想不到的事物。”

深入了解本文提及的系统：