多功能的高通量测序支持了澳大利亚基因组学中心的发展

简介

在澳大利亚建立迪肯基因组学中心有两个原因。¹其一是为了降低测序成本，为迪肯的研究人员提供更快的测序周转时间。其二是为了创建一个基因组中心，为大学以及农民、行业、保护科学家等更大的社群服务。它能提供的远不止这些。

迪肯大学生命与环境科学学院的教授、院长Chris Austin博士于2017年底成立了迪肯基因组学中心。它位于大学在吉朗Waurn Ponds的主校区，靠近Queenscliff海洋研究站。该中心拥有一套MiniSeq系统和两套MiSeq系统，另外还有一套NovaSeq 6000系统，可以处理高通量、大规模的测序项目。迪肯基因组学中心有6名员工，是重要的教学机构，为迪肯基因组研究人员，以及本科生和研究生教学项目的发展提供了很大支持。它还促进了与澳大利亚以及其他国家的研究人员在基因组学研究领域的合作，这些研究人员在研究各种各样的物种，开展各种各样的项目。

“我们永远不知道接下来要研究哪种植物或动物，”Austin博士说。“我们已经对许多物种进行了测序，从古老的瓦勒迈杉到羊驼、小丑鱼、对虾、鲍鱼、真菌和细菌等。迪肯基因组学中心已经成为一个合作中心，而不仅仅是收费提供服务。我们的设备具有强大的功能，因此我们能一直遇到新的研究人员。”

iCommunity采访了Austin博士和Larry Croft博士（基因组学副教授、迪肯基因组学中心主任），谈论了其在农业和水产养殖方面的合作、生物多样性和保护研究，以及新一代测序（NGS）在这些研究工作中的价值。

Chris Austin博士是迪肯大学生命与环境科学学院的教授和院长，Larry Croft是基因组学副教授和迪肯基因组学中心的主任。

问：为什么要建立迪肯基因组学中心？

Chris Austin（CA）：我去年来到吉朗校区时，发现来自不同学科和学院的几位研究人员正在进行基因组研究。然而，它们各自独立进行研究，大多数测序工作都需要外包，费用昂贵，通常还会有很长时间的延迟，而且外包公司在实验设计、样本制备或生物信息学方面不会提供任何帮助。

我们意识到基因组学设施可以为迪肯大学提供一个新的、有价值的研究平台。通过建立迪肯基因组学中心，我们可以为研究人员提供基因组学服务，支持他们从开始到数据分析的所有研究流程。我们还会向学生介绍最新的基因组技术和方法，为他们提供获得高级学位或在商业领域找到工作的最佳机会。

问：NGS如何推动那些曾经使用传统的基因组方法进行的研究项目？

Larry Croft（LC）：我们看到NGS已经改变了研究的状况。例如，我们在十多年前发现了一个奇特的鲜红色的Pseudomonas（假单胞菌）菌落。我们知道基因组的某个位点发生了点突变，但我们不知道具体的突变位置，所以我们把样本存储在冰箱里。十年后，我们用MiSeq系统对它进行测序，3个小时内我们就鉴定出了导致红色的突变。这可能是我用时最短的一篇科学论文。

CA：NGS为迪肯大学著名科学家、澳大利亚科学院院士John Endler教授的研究增加了一个重要的新维度。多年来，他一直在我们学院的地下室，在不同的光照条件下养殖着成千上万的孔雀鱼群。他在研究孔雀鱼在这些环境下的性别选择和行为方式，观察各种表型性状的进化。

几年前，我们还没有NGS系统，无法对80–100个个体进行测序，更别提在一项研究中对上千个个体进行测序了。NovaSeq 6000系统可以轻松地对许多孔雀鱼基因组进行测序，而且成本低廉。我们已经在这些实验群体中发现了与重要表型性状相关的特定基因。这是NGS如何为现有研究项目增加另一层价值的经典案例。

“无论是水稻、黄瓜、蚕，还是羊驼，我们都在寻找基因标记来改善物种，同时保持其固有的多样性。”

问：迪肯基因组学中心吸引了哪些类型的合作？

CA：拥有NovaSeq 6000系统引起了国际合作者的兴趣。这所大学与印度有着紧密的联系，我在越南和马来西亚的研究机构工作过。除了与我们合作在他们国家进行的基因组项目外，他们还会将学生和工作人员送到迪肯大学接受培训。这是我们另外一种从新的基础设施和NovaSeq 6000系统中获益的方式。

此外，许多国际项目是对重要的商业物种（如虾和对虾）开展农业基因组学或水产基因组学研究。这对迪肯大学意义重大。我们希望成为一所可以开展高水平研究，具有全球影响力的大学，同时也希望对社区作出贡献，比如通过选择性育种提高农场效率。

几个世纪以来，农民一直进行着传统育种，而基因组选择是由基因组驱动的传统育种的延伸。在发展中国家，他们往往无法获得基因组学或基础设施来帮助农民利用遗传选择来改良他们的作物、畜群或水产育种。改善鱼或虾等高蛋白主食，是各国/各地区改善其公民福祉的一项强有力的策略。

问：您在从事什么类型的农业项目？

CA：我们的农业研究侧重于商业作物和不太常规的物种。无论是水稻、黄瓜、蚕，还是羊驼，我们都在寻找基因标记来改善物种，同时保持其固有的多样性。

LC：传统农业育种的缺点是它基本上是近亲繁殖。例如，人们已经将羊驼培育成一种理想的羊毛来源。然而，这种羊毛的遗传标记与导致羊驼死胎的遗传病有关。测序使我们能够识别和保留我们想要的性状，同时消除近亲繁殖的问题。我们正在通过混合种群进行远系繁殖研究，将多样性和野性带回种群中。

问：水产的遗传选择项目与农业的有何不同？

CA：由于物种的特性，水产的遗传改良可能比农业更具挑战性。我们对大多数鱼类和甲壳类动物的基因组信息了解不多。这降低了我们利用分子选择性育种作为改善生长或增强抗病性工具的能力。在这种情况下，我们的第一步是对基因组进行测序。

LC：水产遗传研究通常支持保护研究。这将培育具有特定性状的鱼和致力于保护该物种野生形态的人们聚集到了一起。将野生的鱼引入繁殖种群非常重要，这样可以确保鱼群的多样性。因此，育种者会投入到保护野生物种的工作中。

“……我们能以很低的成本，进行深度的大规模群体测序。这能支持濒危物种测序，以及eDNA测序等生物多样性研究的新应用。”

问：NGS如何支持保护研究和环境DNA（eDNA）生物多样性研究？

LC：我们积极参与了濒危动植物的测序工作。成为濒危物种最初是因为它们被隔离成为分散的种群。这些分散的种群开始近亲繁殖，种群的遗传多样性开始下降，物种逐渐灭绝。

CA：我们可以用NovaSeq 6000系统以很低的成本进行深度的大规模种群测序。这能支持濒危物种测序，以及eDNA测序等生物多样性研究的新应用。在过去，我们必须拿起一张网，到野外直接对我们想要测序的生物进行采样。而现在，我们获得了一个水样，过滤并提取eDNA后，就可以对它进行测序。在生物多样性调查中，这是一个完全不同的思维方式。

问：您做过哪些类型的eDNA研究？

CA：我们正在与合作者共同对鲨鱼和入侵海洋的物种进行eDNA研究。我们对海水样本进行了测序来检测它们是否存在，我们甚至可以识别个体的基因特征。

我们还对一种淡水螯虾进行了测序，这种淡水螯虾在当地被称为北方yabby螯虾或红螯螯虾（Cherax quadricarinatus），它的大型重复基因组有200多条染色体。它的许多种群地域性很强，并且受到了环境变化的威胁。红螯螯虾可用于水产养殖，并已被广泛引进到世界各地。eDNA研究使我们能够了解其种群的范围和动态。

LC：我们对红螯螯虾基因组的大小感到非常惊讶。如此大的基因组规模与低种群多样性之间似乎存在着联系。这些红螯螯虾生活在隔离的溪流中，所以往往是进行近亲繁殖。这限制了种群的混合和遗传多样性。

我们对红螯螯虾的线粒体DNA进行了测序，并将其放到了分类树中。然后，我们从不同的溪流中提取水样，进行eDNA测序，确定红螯螯虾的群体结构。它使我们能够识别出存在大量近亲繁殖或存在濒危红螯螯虾种群的溪流。

CA：我们在越南有另外一个项目，对虾池进行采样，并使用eDNA测序来识别有害病毒和细菌的存在。我们在寻找一种微生物特征，它可以表明池塘是健康还是容易感染。这些数据可能有助于我们开发益生菌来改善水产物种的健康。

问：您对哪些不寻常的物种进行过从头测序？

CA：我的研究小组测序的第一种鱼是龙鱼，这是一种在马来西亚发现的淡水鱼。搬到迪肯大学后，我们继续研究了这个物种。这是一种古老的鱼类，位于鱼类谱系树的底部。它的基因组对进化生物学家很有意义。该物种有多种不同的颜色，生长在马来西亚和印度尼西亚等东南亚的不同国家/地区。

龙鱼是世界上最具经济价值的鱼类之一。除了具有经济价值外，由于它叫“龙鱼”，因此在中国传统文化中它被认为是能带来好运的鱼。天然的龙鱼种群呈鲜红色或金黄色，是重要的水产养殖物种。然而由于很难确定鱼的性别，在繁殖过程中存在很大的挑战。我们还没有确定它的性别决定机制。

我们决定对龙鱼进行测序引起了鱼类养殖行业的关注，同样也吸引了对利用生物技术来支持育种人员和供应商很感兴趣的人们。该项目对迪肯基因组学中心是有益的，它打开了与公司合作的大门，我们可以轻松地开发鱼类性别检测并鉴定不同颜色形式的标记。因此，创建第一个龙鱼参考基因组引来了许多其他项目，使该项目超出了最初的范围。

我们还对墨瑞鳕鱼进行了测序，它是澳大利亚最大的淡水鱼。这种鱼很受垂钓者的欢迎，而且在许多不同的水域都有。我们的研究引起了水产研究人员和自然资源保护者的兴趣。有些种群具有特殊的保护意义，需要谨慎管理。再一次，拥有一个参考基因组为我们提供了一个平台，使我们能够扩展我们最初的研究。

问：您对哪些独特的物种进行过测序？

CA：澳大利亚在地理上已经孤立了数百万年，所以有很多动植物只能在这里找到的。大家都熟悉我们的袋鼠、考拉和鹦鹉，但我们的植物和无脊椎动物在生物学上同样独特和有趣。

作为环境生物学家，我们总是对研究独特的动植物群感兴趣。最近，人们在悉尼外150公里的峡谷中发现了瓦勒迈杉。它可以说是一个活化石。

LC：寻找一棵活的瓦勒迈杉就像在野外寻找一只恐龙。数百万年前，这些树曾覆盖澳大利亚、新西兰和南极洲。他们还在野外发现了另外60棵瓦勒迈杉，该物种当时已濒临灭绝。但现在已经进行了繁殖，后代遍布世界各地。即使在北半球的高纬度地区，这些杉树也很容易生长。

CA：我们利用NovaSeq 6000系统对瓦勒迈杉的基因组进行了测序。事实证明，它有一个巨大的重复基因组，几乎没有遗传变异。这非常值得注意。

LC：我们正在使用一台超级计算机来组装瓦勒迈杉的基因组，它的大小是人类基因组的两倍多。需要几个月的时间才能完成组装。

问：您还对哪些有趣的物种进行过测序？

CA：我住在达尔文和澳大利亚北部，在那里的博物馆工作，与一些研究小丑鱼分类和进化的同事共事。我发现没有人对小丑鱼进行测序，所以我们去了当地的珊瑚礁收集了一些样本。我们选择了一种棕色的眼斑双锯鱼（Amphiprion ocellaris），而不是电影《海底总动员》中橙色和白色条纹的小丑鱼。²

研究人员将利用小丑鱼的参考基因组回答生态和生物学问题，比如为什么它们有这么多的颜色，以及这些鱼如何耐受其宿主海葵产生的神经毒素。

LC：迪肯基因组学中心正在帮助开展有关袋獾的研究。因为一种独特的可传播癌症，袋獾种群的数量正在下降。我们正在利用基因组测序来帮助剩余动物的选择性繁殖，使种群多样化，增加其遗传活力。

我们也对袋鼬进行了类似的研究，这是一种濒临灭绝的有袋类动物。迪肯大学参与了多个袋鼬育种项目，我们通过对这些个体进行测序来支持这些研究。

问：对于正在考虑使用NGS的人，您有什么建议？

CA：对于考虑要使用NGS的人，我建议他们慢慢开始。随着时间的推移，我们慢慢积累了自己的知识和技能。

对于那些买不起NGS系统的研究人员，我建议与服务供应商合作。他们可以先送去一些样本，了解该技术的好处。

我们有一个项目，人们可以将他们的样本发送给我们，我们会为他们提供优质的数据，与他们一起审查结果，并帮助他们进行下一步研究。这就是我们和其他服务供应商的不同之处。我们可以帮助您进行实验设计和文库制备工作，如果需要，我们还可以协助您进行数据分析和准备发表的文章。

问：NGS在农业基因组学中有哪些新兴的应用？

CA：我认为NGS与NovaSeq 6000系统会成为一个基本的工具，它们可以推进传统和不寻常物种的选择性育种。我们在澳大利亚有绵羊、小麦和棉花的常规育种工作，这些工作现在也会受益于高水平的基因组学。还有一些物种，我们对其基因信息知之甚少。要了解这些物种，我们不再需要了解基因组和遗传信息那么长的历史，只需选择一个物种，就可以非常迅速地生成大量的信息。

我相信全基因组测序（WGS）将帮助我们更有效地进行选择性育种。WGS比传统育种提高了20%以上的遗传改良率。在大多数物种中，芯片不能提供用于基因改良的标记的密度。WGS为我们提供了广泛的遗传信息来理解理想性状和有害性状之间的联系，使我们能够在保持遗传多样性的同时仍然选择理想性状。这种方法将非常强大。

问：未来您将使用NovaSeq 6000系统进行哪些类型的研究？

CA：我们正在讨论一个对澳大利亚所有淡水鱼物种进行测序的项目。这有助于我们了解这些物种的进化，也有助于保护它们。我们正在与新南威尔士州植物标本馆合作开展一个项目，对新南威尔士州的每一种植物进行基因组浅层测序。这些项目是NovaSeq 6000系统完成的一些完美案例，这些项目的规模和类型可以为未来利用NovaSeq 6000系统启动项目提供参考。

CA：NovaSeq 6000系统的用途非常广泛，测序在这些应用中非常有用。我们正要开始探讨是否有可能研究有趣的环境问题。

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迪肯基因组学中心案例研究

点击观看：迪肯大学基因组学中心新现物种基因组测序研究视频