多用途、高通量测序支持澳大利亚基因组中心的发展

简介

澳大利亚迪肯基因组学中心的建立有两大驱动力。¹首先是降低测序成本，为迪肯的研究人员提供更快的测序数据周转。第二个目标是创建一个基因组学中心，为大学和更大的社区服务，包括农民、工业和保护科学家。它传递的远不止这些。

迪肯大学生命与环境科学学院院长、教授克里斯·奥斯汀博士于2017年底建立了迪肯基因组学中心。它位于该大学位于Waurn Ponds Geelong的主校区，靠近昆斯克利夫海洋研究站。除了一个MiniSeq和两个MiSeq系统，该设施还拥有一个NovaSeq 6000系统，用于处理高通量、大规模测序项目。迪肯基因组学中心有6名工作人员，是一个重要的教学设施，支持迪肯基因组学研究社区和本科生和研究生教学项目的发展。它还促进了与澳大利亚以及澳大利亚以外的研究人员的基因组合作，这些研究人员正在研究各种各样的物种，并开展各种项目。

“我们永远不知道下一个研究对象是什么植物或动物物种，”奥斯汀说。“我们对从古代沃勒米松到羊驼、小丑鱼、对虾、鲍鱼、真菌和细菌的一切都进行了测序。迪肯基因组中心已成为合作的中心，而不仅仅是服务收费协议的生成器。由于我们设备的能力，我们一直在会见新的研究人员。”

iccommunity与基因组学副教授Austin博士和迪肯基因组学中心经理Larry Croft就其农业和水产养殖合作、生物多样性和保护研究以及下一代测序(NGS)为这些研究工作带来的价值进行了交谈。

Chris Austin博士是迪肯大学生命与环境科学学院教授和院长，Larry Croft是迪肯基因组学副教授和迪肯基因组学中心经理。

问:迪肯基因组学中心为何成立?

克里斯·奥斯汀(CA):当我去年到达吉隆校区时，那里有几位来自不同学科和学院的研究人员在进行基因组研究。然而，他们是孤立的和独立的，大部分测序都是外包的，花费了不必要的费用，往往拖延很长时间，在实验设计、样品制备或生物信息学方面没有任何帮助。

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，并支持他们从开始到数据分析的研究。我们还能向学生介绍最新的基因组技术和方法，给他们获得更高学位或在商业部门找到工作的最佳机会。

问:NGS如何促进了曾经用旧基因组方法进行的研究?

拉里•克罗夫特(LC):我们已经看到NGS改变了研究研究。例如，我们发现了一种迷人的亮红色假单胞菌十多年前的殖民地。我们知道在基因组的某个地方有一个点突变，但我们不知道是哪里，所以我们把样本放进了冰箱。十年后，我们用MiSeq系统对其进行了测序，并在3小时内确定了导致红色的突变。这可能是我写过的最快的科学论文了。

CA:NGS为迪肯大学著名科学家、澳大利亚科学院院士约翰·恩德勒教授的研究增加了一个重要的新维度。他多年来一直在我们部门的地下室在不同的光照条件下维持成千上万的孔雀鱼种群。他正在研究这些环境下的性选择和行为方面，并观察各种表型性状的进化。

几年前，我们还没有一个能让我们对80 - 100个个体进行测序的NGS系统，更不用说在一项研究中对1000个个体进行测序了。NovaSeq 6000系统可以方便地对许多孔雀鱼基因组进行测序，成本效益高。我们已经确定了与这些实验种群中记录的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一个经典案例。

“无论是水稻、黄瓜、蚕还是羊驼，我们都在寻求识别遗传标记，以改善物种，同时保持固有的多样性。”

问:迪肯基因组中心吸引了哪些类型的合作?

CA:拥有NovaSeq 6000系统正吸引着国际合作者的兴趣。该大学与印度有着密切的联系，我也有与越南和马来西亚的研究所合作的经验。除了在他们国家的基因组项目上与我们合作外，他们还把学生和员工送到迪肯大学接受培训。这是我们从新的基础设施和NovaSeq 6000系统中获益的另一种方式。

此外，这些国际项目中有许多是针对重要商业物种(如虾和对虾)的农业基因组学或水基因组学研究。这对迪肯大学非常有用。我们希望被视为一所进行高质量研究的大学，具有全球影响力，对社区很重要，比如通过选择性育种提高农场水平的效率。

基因组选择是由基因组驱动的传统育种的延伸，农民已经进行了几个世纪。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善他们的作物、畜群或水产养殖育种。改善鱼虾等高蛋白主食是各国提高国民福祉的有力战略。

问:你在做什么类型的农业项目?

CA:我们的农业研究往往着眼于商业作物和不太传统的物种。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，同时保持固有的多样性。

LC:传统农业育种的缺点是它本质上是近亲繁殖。例如，饲养羊驼是为了获得理想的羊毛。然而，羊毛的遗传标记与一种导致羊驼死产的遗传疾病有关。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。通过混合种群，我们正在进行近亲繁殖，并将多样性和野生性带回种群中。

问:水产养殖的遗传选择项目与农业的遗传选择项目有何不同?

CA:由于物种的性质，水产养殖中的遗传改良可能比农业中的更具挑战性。我们对大多数鱼类和甲壳类动物的基因组知识有限。它降低了我们利用分子选择性育种来提高生长或抗病性的能力。在这些情况下，我们的第一步是对基因组进行测序。

LC:水产养殖遗传学研究通常支持保护研究。它把为了特定特性而养殖鱼类的人和专注于保护该物种野生形态的人结合在一起。将野生鱼类引入繁殖群体以确保多样性是很重要的。因此，育种者在保护野生物种方面投入了大量资金。

＂...我们可以进行大规模的深度种群测序，成本低廉。这支持了濒危物种测序和生物多样性研究中的eDNA测序等新应用。”

问:NGS如何支持保护和环境DNA (eDNA)生物多样性研究?

LC:我们已经开始积极参与濒危动植物的测序工作。濒危物种首先会发生的一件事是，它们被隔离到分散的种群孤岛中。这些碎片化的种群开始近亲繁殖，种群的遗传多样性减少，物种开始灭绝。

CA:我们可以用NovaSeq 6000系统进行大规模的深度测序，成本低廉。这为濒危物种测序和生物多样性研究中的eDNA测序等新应用提供了支持。在过去，我们必须抓起一张网，到野外直接对我们感兴趣的生物进行测序。今天，我们获得了一个水样，过滤它，提取eDNA，并对其进行测序。这是生物多样性调查的一个完全不同的视角。

问:您进行了哪些类型的eDNA研究?

CA:我们正在与我们的一个合作者进行鲨鱼和入侵海洋物种的eDNA研究。我们对海水样本进行测序，以检测它们的存在，甚至可以识别个体的遗传特征。

我们还对一种淡水小龙虾进行了测序，这种小龙虾在当地被称为北方雅比或红爪小龙虾(Cherax quadricarinatus)，拥有超过200条染色体的大型重复基因组。它的许多人口是本地化的，受到环境变化的威胁。红爪小龙虾是用于水产养殖的，在世界各地已被广泛引进到它们的原产地范围之外。eDNA研究使我们能够了解其种群的范围和动态。

LC:我们对红爪小龙虾基因组的大小感到惊讶。在大基因组尺寸和低种群多样性之间似乎存在相关性。这些小龙虾生活在孤立的溪流中，所以经常和它们的亲戚一起繁殖。这限制了种群混合和遗传多样性。

我们对红爪小龙虾的线粒体DNA进行了测序，并将它们放入了分类树中。然后，我们从不同的溪流中提取水样，并进行eDNA测序，以确定小龙虾的种群结构。它使我们能够识别有明显近亲繁殖或有濒危小龙虾种群的溪流。

CA:我们在越南还有一个项目，对虾池进行取样，并使用eDNA测序来确定有害病毒和细菌的存在。我们寻找微生物的特征，以表明池塘是否健康或可能易受疾病影响。这些数据可能有助于我们开发益生菌来改善水产养殖物种的健康。

问:你表演过吗新创对任何不寻常的物种进行测序?

CA:我的研究小组测序的第一条鱼是龙鱼，一种发现于马来西亚的淡水鱼。搬到迪肯大学后，我们继续研究这个物种。它是一种古老的鱼类，位于鱼类家族树的底部。它的基因组引起了进化生物学家的极大兴趣。该物种有几种不同的颜色形式，自然生长在东南亚的不同国家，包括马来西亚和印度尼西亚。

龙鱼是世界上最具经济价值的鱼类之一。除了具有商业价值，它还被称为龙鱼，被中国人视为幸运鱼。天然龙鱼的种群是鲜红色或金色的，有一个重要的水产养殖业。然而，养殖它们面临着重大挑战，因为很难确定鱼的性别。我们还没有确定性别决定论的机制。

当我们决定对龙鱼进行测序时，我们吸引了养鱼业社区和对使用生物技术支持育种者和供应商感兴趣的人的极大兴趣。该项目对迪肯基因组中心是有益的，因为它打开了与公司合作的大门，以开发一种容易的测试鱼类性别和识别不同颜色形式的标记。因此，创建第一个龙鱼参考基因组引发了其他各种项目，使项目超出了最初的范围。

我们还对澳大利亚最大的淡水鱼墨里鳕鱼进行了测序。它很受垂钓者的欢迎，并在许多不同的水域储存。我们的研究引起了水产养殖业研究人员甚至自然资源保护者的兴趣。有一些种群具有特殊的保护意义，需要小心管理。再一次，有一个参考基因组提供了一个平台，使我们能够扩展我们的原始研究。

问:你对哪些独特的物种进行了测序?

CA:澳大利亚在地理上与外界隔绝了数百万年，所以我们有许多只有在这里才能找到的动植物。每个人都熟悉我们的袋鼠、考拉和鹦鹉，然而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植物群和动物群感兴趣。最近，沃勒米松在悉尼外150公里的峡谷中被发现。它基本上是一个活化石。

LC:找到一棵活着的沃勒米松就像在野外找到恐龙一样。数百万年前，这些树曾经覆盖着澳大利亚、新西兰和南极洲。他们已经在野外确认了大约60棵沃勒米松树，使该物种濒临灭绝。现在已经开始繁殖，后代在世界各地生长。这些松树很容易生长，即使在北半球的高纬度地区。

CA:NovaSeq 6000系统使我们能够对沃勒米松基因组进行测序。事实证明，它有一个巨大的、重复的基因组，几乎没有遗传变异。这是显著的。

LC:我们正在用一台超级计算机组装沃勒米基因组，它的大小是人类基因组的两倍多。完成组装需要几个月的时间。

问:你对其他有趣的物种进行测序了吗?

CA:我住在达尔文和澳大利亚北部，在那里的博物馆和一些同事一起工作，他们研究小丑鱼的分类和进化。我意识到没有人给小丑鱼测序，所以我们去了当地的珊瑚礁收集了一些。我们选择了一个棕色的物种。双ocellariS)而不是人们从电影中了解到的通常的橙白条纹版本《海底总动员》．²

小丑鱼参考基因组将使研究能够回答生态和生物学问题，如为什么有如此多的颜色形式，以及这些鱼如何忍受其宿主海葵产生的神经毒素。

LC:迪肯基因组学中心正在协助袋獾的研究。袋獾的数量正在下降，因为一种独特的可传播癌症减少了袋獾的数量。我们正在使用基因组测序来支持对剩下的动物进行选择性繁殖以使种群多样化并增加其遗传活力。

我们还对一种濒危有袋类动物——袋鼬进行了类似的研究。迪肯大学参与了几个袋鼬繁殖项目，我们通过对个体进行测序来支持这些努力。

问:对于正在考虑转行到NGS的人，你有什么建议?

CA:对于正在考虑NGS的人，我建议他们慢慢开始。随着时间的推移，我们发展了自己的知识和技能。

对于那些买不起自己的NGS系统的研究人员，我建议他们与服务提供商合作。这将允许他们发送一些样品，并了解该技术的好处。

我们有一个项目，人们寄来他们的样品，我们为他们提供优质数据，与他们一起审查结果，然后协助下一步。这就是我们和其他服务供应商的区别。我们可以协助实验设计和图书馆准备，如果需要，数据分析和准备出版的手稿。

问:NGS在农业基因组学中的新应用是什么?

CA:我认为，带有NovaSeq 6000系统的NGS将是推进常规和不寻常物种选择育种的基本工具。我们在澳大利亚有绵羊、小麦和棉花的传统育种工作，现在也将受益于高水平的基因组学。还有一些物种我们对它们的基因了解不多。要了解这些物种，我们不再需要基因组和遗传信息的悠久历史。我们可以选择一个物种，现在有能力对其进行测序，并快速生成大量数据。

我相信全基因组测序(WGS)将使我们能够更有效地进行选择育种。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，微阵列没有用于遗传改良的标记的密度。WGS为我们提供了广泛的遗传信息，以了解理想性状和有害性状之间的联系，使我们能够在选择理想性状的同时保持遗传多样性。这种方法将是非常强大的。

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进行测序的项目。这将有助于我们了解这些物种的进化，并有助于保护它们。我们还与新南威尔士州植物标本馆合作一个项目，对新南威尔士州的每一种植物进行基因组扫描。这些项目是NovaSeq 6000系统未来希望启动的项目规模和性质的完美例子。

CA:测序在应用领域的多样性令人难以置信。我们刚刚开始着手解决有趣的环境问题的可能性。

看看迪肯基因组中心是如何为新物种排序的:

对澳大利亚新发现物种进行测序

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迪肯基因组学中心案例研究

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