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国自然热点｜泛基因组研究全景解析
完整的遗传变异数据集是生物多样性基因组研究的关键。长读长测序技术能够组装出高连续性、单倍型分辨的T2T参考基因组。然而，即便参考基因组已趋完整，由单一个体生成的基因组无法充分代表群体或物种内的遗传多样性。因此，泛基因组研究作为基因组研究的重要方向，旨在全面揭示物种内的遗传多样性，帮助我们更好地理解物种的适应性与进化机制。（国自然热点｜泛基因组研究基础篇）
泛基因组研究现状
在文章发表方面，泛基因组相关研究的数量逐年增加，且在高影响力期刊中的发表数量也呈现上升趋势。从2021年至今，已有近千篇泛基因组相关研究成果发表，涵盖了动植物和微生物基因组研究领域。说明泛基因组研究的热度持续不减，已成为基因组学研究中的重要领域。
图1：PubMed搜索Pan-genome关键词检索结果
泛基因组发展
在基因组重测序比对研究中，即便拥有精确的参考基因组，当将序列比对到这些参考基因组时，依然可能因参考基因组中的差异或缺失区域而出现比对错误或无法比对的情况（如图2a所示）。这些“个体基因组盲区”会引入参考偏倚，潜在地导致遗传变异被错误表示。为了解决参考偏倚问题，泛基因组学应运而生，旨在通过系统地捕捉不同个体的遗传变异，并将其整合到一个复合的基因组组装中，这些复合组装即被称为泛基因组。
泛基因组的构建方式有多种历史发展形式，包括未比对的序列集合，或者通过原始reads序列或组装序列衍生出的线性序列集合（如图2b所示）。而随着线性泛基因组的应用和拓展，发展出图形泛基因组，它将不同个体的基因组数据以及它们之间的关系和变异信息存储在同一数据结构中（如图2c所示）。这种图谱不仅能够帮助解决参考偏倚问题，还能更全面地反映物种内的遗传多样性。
图2 泛基因组图谱原理
（参考文献链接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-02029-6）
在泛基因组研究中，基于多个基因组进行比对、构建的图形化泛基因组参考，可以有效弥补单一物种参考基因组的不足，尤其是针对那些存在变异或缺失的区域（例如图2a中以红色标示的区域），能够显著提高这些区域的覆盖度，进而有助于更准确的变异调用和下游分析。通过泛基因组图谱，我们能够更深入地理解基因组的多样性，为基因组学研究提供更加精确的参考框架。
此外，随着基因组组装技术的不断进步，涌现了更多新型泛基因组类型，如T2T泛基因组、单倍型泛基因组、单倍型T2T泛基因组等，这些新型泛基因组进一步提升了捕捉遗传多样性的能力。
例如，中国农业科学院深圳农业基因组研究所周永锋团队在《Nature Genetics》杂志上发表了其团队使用29个单倍型组装（包含9个新测序组装的18个单倍型T2T组装与11个已发表的组装数据）构建首个驯化葡萄Grapepan v1.0图泛参考基因组的研究成果。通过整合机器学习算法、基因型图谱、表型图谱和数量遗传学分析，该团队提出了葡萄多性状的全基因组选择育种模型，并成功构建了葡萄全基因组选择育种体系。该体系不仅有效缩短了育种年限，降低了育种成本，提升了育种效率，还为葡萄育种带来了新的生产力，奠定了我国突破葡萄种业瓶颈的基础。（NG项目文章｜基因组所周永锋团队建立葡萄全基因组选择育种体系）。
通过这些技术的结合，泛基因组研究能够更加全面地揭示物种的遗传多样性，推动基因组学研究向更高精度和深度发展。
泛基因组研究整体思路
泛基因组研究通常包括以下步骤：首先，根据研究目标确定目标物种类群，并筛选核心样本（一文畅谈，何为“泛”基因组——泛基因组的样本选择）；然后，对核心样本分别进行全基因组建库测序以及单个样本的基因组组装与注释。接着，基于每个个体的注释信息，基于后续研究方案和需求，选择合适的分析软件，进行泛基因组图谱构建，开展比较基因组分析和泛基因组分析（国自然热点｜图形泛基因组构建方法）。最后，结合物种特征和样本特性，深入挖掘与特定生物学问题相关的个性化基因组信息（国自然热点|泛基因组研究创新趋势）。
图3 泛基因组图谱的构建、操作与可视化
（参考文献链接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-02029-6）
图示：a.样本应来自不同的地理位置及分群，以最大化增加遗传多样性；首先，从每个样本中分别提取高质量DNA，使用PacBio和Oxford Nanopore等长读长技术进行测序，并组装以获得高质量的基因组。b. 泛基因组图谱构建的两种主要方法：基于参考的MC方法和无参考的PGGB方法，可根据后续研究目标选择合适的方法。c. 泛基因组图谱可以通过多种方式进行可视化。可以在2D呈现图谱的整体结构，侧重展示节点和边之间的关系，而非路径的碱基组成。另一种方式是通过1D可视化显示经过节点的路径及其碱基组成（类似图2c中的管状表示形式）。每条彩色线代表不同的基因组，变异通过路径在节点间的分歧来表示。）
（技术流程见下图）
泛基因组研究案例
围绕泛基因组展开的研究，一直是国家自然科学基金的重要研究热点，也成为基因组学领域文章发表的关键主题。这类研究主要聚焦于结构变异（SV）和基因存在变异（PAV）的挖掘、重要性状基因的识别、种群进化的解析以及物种的起源和驯化等方向。
贝纳基因整理了近年发表的高分且具有代表性的泛基因组研究文章，展示该领域的最新进展（见文末列表）。
作为值得信赖的科研合作伙伴，贝纳基因已成功助力客户在泛基因组研究领域发表多篇高质量研究论文，涵盖多种物种的研究。贝纳基因持续优化和完善泛基因组研究服务，从二代、三代基因组测序及基因组组装，到基因组结构变异（SV）鉴定、图形泛基因组构建，再到比较基因组与泛基因组分析，提供覆盖全流程的系统化解决方案，为科研探索提供高效支持。
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