多功能，高通量测序支持澳大利亚基因组中心增长

介绍

在澳大利亚创建迪肯基因组中心的核心是两股推动力量。¹首先是降低测序成本，并提供更快地将数据归结为Deakin研究人员。第二个是创造一个可以为大学和更大社区提供的基因组学中心，包括农民，工业和保护科学家。它的交付不止于此。

迪肯大学生命与环境科学学院院长、教授Chris Austin博士于2017年底建立了迪肯基因组学中心。它位于位于沃恩池塘吉隆大学的主校区，靠近昆斯克利夫海洋研究站。除了一个MiniSeq和两个MiSeq系统，该工厂还有一个NovaSeq 6000系统来处理高通量、大规模的测序项目。迪肯基因组学中心拥有6名员工，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增长。这也刺激了与澳大利亚以及其他国家研究人员的基因组学合作，这些研究人员正在研究各种各样的物种并进行各种各样的项目。

“我们永远不知道我们接下来要研究什么植物或动物物种，”奥斯汀博士说。“我们已经对从古沃勒米松到羊驼、小丑鱼、对虾、鲍鱼、真菌和细菌的所有东西进行了测序。迪肯基因组中心已经成为合作的中心，而不仅仅是按服务收费的协议的制造者。由于我们设备的性能，我们一直在与新的研究人员会面。”

Conomunity与奥斯汀和拉里·克罗特博士，迪肯基因组学中心基因组学和经理副教授谈到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）带来这些研究的价值努力。

克里斯·奥斯汀博士是迪肯大学生命与环境科学学院的教授和院长，拉里·克罗夫特是基因组学副教授和迪肯基因组学中心的经理。

问：为什么迪肯基因组学中心成立？

克里斯·奥斯汀(CA):当我去年来到吉隆校区时，有几位研究人员在不同的学科和学院从事基因组研究。然而，它们是分离的和独立的，而且大多数测序是在不必要的费用下外包的，往往有很长的延迟，在实验设计、样品制备或生物信息学上没有任何帮助。

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，并支持他们的研究从开始到数据分析。我们还可以向学生介绍最新的基因组技术和方法，并为他们提供获得高级学位或在商业部门找到工作的最佳机会。

问：NGS是如何利用旧的基因组方法进行高级研究的？

拉里•克罗夫特(LC):我们已经看到NGS改变了研究。例如，我们发现了一种迷人的鲜红色假单胞菌殖民地十多年前。我们知道在基因组的某个地方有一个点突变，但我们不知道在哪里，所以我们把样本放在冰箱里。十年后，我们用MiSeq系统对它进行了测序，在三个小时内我们确定了导致红色的突变。这可能是我写过的最快的一篇科学论文了。

CA:NGS为迪肯大学(Deakin University)著名科学家、澳大利亚科学院(Australian Academy of Science)院士约翰·恩德勒(John Endler)教授的研究增加了一个重要的新维度。多年来，他一直在我们部门的地下室里，在不同的光照条件下饲养着数千只孔雀鱼。他正在研究在这些环境下的性选择和行为方面并观察各种表型特征的进化。

几年前，我们还没有一个能让我们对80 - 100个人进行测序的NGS系统，更不用说在一项研究中对1000个人进行测序了。NovaSeq 6000系统能够以低成本高效地对孔雀鱼基因组进行测序。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一个经典案例。

“无论是水稻、黄瓜、蚕还是羊驼，我们都在寻找基因标记，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系统正在吸引国际合作者的兴趣。该大学在印度拥有强大的联系，我有经验与越南和马来西亚合作。除了与我们在他们国家的基因组项目合作之外，他们还将学生和工作人员送到迪肯大学培训。我们可以获得从这个新的基础架构和Novaseq 6000系统的存在。

此外，这些国际项目中有许多是对重要商业物种(如虾和对虾)的农业基因组学或水生基因组学研究。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，对社区有重要影响，比如通过选择性育种在农场层面提高效率。

基因组选择是基因组学推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，他们往往没有基因组学或基础设施来帮助农民利用遗传选择来改进他们的作物、畜群或水产养殖育种。改善鱼类或虾等高蛋白主食是各国改善国民福祉的一项有力战略。

问:你正在从事哪些类型的农业项目?

CA:我们的农业研究倾向于关注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，以改善物种，同时保持固有的多样性。

LC：传统农业育种的缺点是它基本上近亲繁殖。例如，Alpacas已经为理想的羊毛繁殖。然而，该羊毛的遗传标记与导致羊驼死产的遗传疾病有关。排序使我们能够识别和保留我们想要的特征，同时消除近亲繁殖的问题。通过混合人口，我们讨论并将多样性和野性带回人口。

问：水产养殖的遗传选择项目如何与农业不同的水产养殖项目？

CA:由于物种的性质，水产养殖中的遗传改善可能比农业更具挑战性。我们有限预先存在于大多数鱼和甲壳类动物的基因组知识。它降低了使用基于分子的选择性育种作为提高生长或抗病抗性的工具的能力。我们在这些情况下的第一步是排序基因组。

LC：水产养殖遗传研究经常支持保护研究。它汇集了为了特定的特性而养殖鱼类的人们和致力于保护野生物种的人们。将野生鱼类引入繁殖种群以确保多样性是很重要的。因此，育种者需要投资于野生物种的保护。

“…我们可以以低廉的成本进行深度大规模的人口测序。这支持濒危物种测序和新的应用，如eDNA测序用于生物多样性研究。”

问:NGS如何支持保护和环境DNA (eDNA)生物多样性研究?

LC：我们非常关注濒危动植物的排序。对于濒危物种来说，首先发生的一件事就是它们被隔离在分散的种群岛屿上。那些支离破碎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系统在非常低的成本下进行大规模人群测序。这支持濒危物种测序和新的应用，如用于生物多样性研究的eDNA测序。在过去，我们必须抓个网，到野外去直接取样我们想要测序的生物体。今天，我们获得一个水样，过滤它，提取eDNA，并对它进行排序。这是生物多样性调查中完全不同的观点。

问:你进行过哪些类型的eDNA研究?

CA:我们正在与我们的一位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了测序，以检测它们的存在，甚至可以识别个体的基因特征。

我们还对一种淡水小龙虾进行了测序，在当地被称为北雅比或红爪小龙虾(cherax quadricarinatus)，它有一个由200多条染色体组成的庞大重复基因组。它的许多种群都生活在当地，受到环境变化的威胁。红爪小龙虾被用于水产养殖，并已在世界各地广泛引入它们的原产地以外。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。大的基因组大小和低的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。这限制了人口混合和遗传多样性。

我们对红爪螯虾的线粒体DNA进行了测序，并将其放入分类树中。然后，我们从各种溪流中采集水样，并进行eDNA测序，以确定小龙虾种群结构。它使我们能够识别存在显著近亲繁殖或濒危小龙虾种群的溪流。

CA:我们在越南有另一个项目，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。我们寻找一种微生物特征来表明池塘是健康的还是可能易受疾病的影响。这些数据可能有助于我们开发益生菌，以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个鱼是龙鱼，一种在马来西亚发现的淡水鱼。搬到迪肯大学后，我们继续研究这个物种。它是一种古老的鱼，位于鱼类族谱的底部。它的基因组是进化生物学家非常感兴趣的。该物种有几种不同的颜色形式，在东南亚的不同国家自然生长，包括马来西亚和印度尼西亚。

Arowana是世界上最经济上最有价值的鱼之一。除了具有商业价值之外，它还被称为龙虾，被​​中文遗产的人审议了一个幸运的鱼。自然亚罗瓦纳人群是鲜艳的红色或金色，有一个重要的水产养殖业。然而，繁殖它们存在重大挑战，因为难以确定鱼的性别。我们尚未钉住性别决定论的机制。

当我们决定对龙鱼进行测序时，我们吸引了养鱼界和有兴趣利用生物技术支持养殖者和供应商的人们的极大兴趣。该项目对迪肯基因组学中心是有益的，因为它为与公司合作开发鱼类性别测试和识别不同颜色的标记打开了大门。因此，创建第一个龙鱼参考基因组导致了其他各种项目，使该项目超出了最初的范围。

我们还对默里鳕鱼进行了测序，它是澳大利亚最大的淡水鱼。它很受垂钓者的欢迎，并以许多不同的方式储存在水中。我们的研究引起了水产养殖研究人员甚至自然资源保护主义者的兴趣。有一些种群具有特殊的保护意义，需要谨慎管理。再一次，有了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：是否有任何唯一的物种已测序？

CA:澳大利亚在地理上被隔离了数百万年，所以我们有许多只在这里发现的动植物。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动植物感兴趣。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：在植物学上，找到一棵活的沃勒米松树就相当于在野外找到一只恐龙。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大约60棵其他的沃勒米松树，这使得这个物种濒临灭绝。现在它已经繁殖，后代遍布世界各地。即使在北半球高纬度地区，这些松树也很容易生长。

CA:Novaseq 6000系统使我们能够序列Wollemi Pine Genome。事实证明它具有大，重复的基因组，几乎没有遗传变异。这是显着的。

LC：我们正在使用一台超级计算机来组装沃勒米基因组，它的大小是人类基因组的两倍多。完成装配需要几个月的时间。

问：您是否对任何其他有趣的物种进行了排序？

CA:我住在达尔文和澳大利亚北部，和一些同事在那里的博物馆工作，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ocellari而不是人们从电影中熟悉的橙白条纹版本《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，了解为什么有这么多的颜色形式以及这些鱼如何耐受由其宿主产生的海葵产生的神经毒素。

LC：Deakin Genomics Center正在协助塔斯马尼亚魔鬼研究。由于具有较低的可传输癌症，塔斯马尼亚魔鬼人口遭到下降。我们采用基因组测序来支持剩余动物的选择性育种，以使人口多样化并增加其遗传活力。

我们也与Quoll，一个濒临灭绝的Marsupial进行类似的研究。Deakin University参与了几个Quoll繁殖计划，我们通过排序个人来支持这些努力。

问:对于正在考虑转到NGS的员工，你有什么建议?

CA:对于考虑NGS的人，我建议他们慢慢开始。随着时间的推移，我们的知识和技能得到了发展。

对于负担不起自己的NGS系统的研究人员，我建议与服务提供商合作。这将使他们能够发送一些样品，并了解该技术的好处。

我们有一个项目，人们可以发送他们的样本，我们向他们提供优质数据，与他们一起审查结果，然后协助下一步。这就是我们与其他服务提供商的区别。我们可以协助实验设计和图书馆准备工作，如果需要，还可以协助进行数据分析和准备出版手稿。

问:NGS在农业基因组学中的新应用是什么?

CA:我认为NGS与NovaSeq 6000系统将是推进传统和非常规物种选择育种的基本工具。我们在澳大利亚的绵羊、小麦和棉花传统育种工作现在也将受益于高水平基因组学。还有一些物种我们在基因上知之甚少。要了解这些物种，我们不再需要基因组和遗传信息的漫长历史。我们可以选择一个物种，现在有能力对它进行排序，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，微阵列没有足够的基因改良标记。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。这种方法将会非常强大。

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种进行排序的项目。这将有助于我们理解这些物种的进化，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进行一个项目，对新南威尔士州的每一种植物进行基因组略读。这些项目是我们希望在未来利用NovaSeq 6000系统开展的项目规模和性质的完美例子。

CA:测序应用的多样性令人难以置信。我们才刚刚开始着手解决有趣的环境问题。

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迪肯基因中心案例研究

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