從「地球生物基因體計畫」看見 PacBio HiFi 定序在植物-動物-昆蟲全基因體定序的強大效能 | PacBio 台灣代理伯森生技

從「地球生物基因體計畫」看見 PacBio HiFi 定序在植物-動物-昆蟲全基因體定序的強大效能

 

地球生物基因體計畫:以十年時間完成地球所有真核生物的全基因體定序

你知道嗎?從 1970-2016 不到 50 年間,全球脊椎動物數量大幅減少了 68% [1],目前有超過 37,000 種物種正面臨滅絕危機 [2],這些數據清楚地告訴我們,氣候變遷與人類活動已為地球生態帶來災難性的影響。

為保護生物多樣性、實現永續生態發展並增進人類福祉(包含探索新型藥物與生質能源等),美國加州大學戴維斯分校 Harris Lewin 教授與多位美國專家學者,聯合巴西聖保羅研究基金會 (FAPESP) Marie-Anne van Sluys 教授與中國華大基因 (BGI) 周欣教授,於 2015 年共同草擬出「地球生物基因體計畫 (Earth BioGenome Project, EBP)」,預計以十年時間完成地球所有真核生物 (eukaryotes) 的全基因體定序 (whole-genome sequencing, WGS),並將特別針對瀕危物種優先執行,以幫助儘早訂定相關保護法規,減緩甚至阻止物種滅絕 [3, 4]。

地球生物基因體計畫成立宗旨與目標

點擊圖片了解地球生物基因體計畫成立宗旨與目標。
IMAGE © Earth BioGenome Project [4].

PacBio 長讀取定序技術是組裝出高品質參考基因體 (reference genome) 不可或缺的技術

2018 年地球生物基因體計畫開始實施之際,所面臨到的是在 150 萬種已知真核生物中僅有不到 0.2% 的物種基因體序列為我們所知,要在 10 年間完成所有真核生物物種的全基因體定序,如同生物界的「登月計畫」——立意高遠卻也極具挑戰 [3]!所幸目前已有 17 個國家、44 個產學機構共同合作,總計 47 項大型基因體計畫參與聯盟 [5, 6],其中 Genome 10K 計畫更肩負著最佳化組裝流程與制定品質標準的重要使命 [3, 7]。

根據 Genome 10K 團隊去年四月發表在《Nature》期刊的最新研究成果論文,可以發現 PacBio 長讀取定序技術 (PacBio long-read sequencing technology) 為 Genome 10K 團隊組裝出參考基因體 (reference genome) 品質的完整基因體序列帶來極佳助益,特別是在重複序列、高 GC 含量等困難區域的定序與單倍體定相 (haplotype phasing) 分析上,更是起著極為關鍵不可或缺的作用 [7]。

Genome 10K 團隊於《Nature》期刊發表的最新研究成果論文〈Towards complete and error-free genome assemblies of all vertebrate species〉

點擊圖片閱讀 Genome 10K 團隊於《Nature》期刊發表的最新研究成果論文。
IMAGE © Springer Nature Limited [7].

深獲地球生物基因體計畫總主持人 Harris Lewin 教授與頂尖期刊文獻肯定的 PacBio HiFi 定序

隨著 PacBio 長讀取定序技術——或稱為 SMRT 單一分子即時定序技術 (Single Molecule, Real-Time Sequencing)——試劑與儀器性能的提升,誕生出一種全新的具有高準確度的長讀取資料類型 “HiFi reads”。HiFi reads 不但能提供比肩 NGS 技術的高精準度 (>99.9%),還具有長讀取特性 (可達 25 kb),能完美補足 NGS 的短處。地球生物基因體計畫總主持人加州大學戴維斯分校 Harris Lewin 教授在去年一場線上演講中,即藉由「加州保育基因體計畫 (California Conservation Genomics Project, CCGP)」的近期成果向大家展示 PacBio HiFi 定序在全基因體定序的強大效能 [8]。

地球生物基因體計畫總主持人 Harris Lewin 教授線上演講影片「New Discoveries in Plant and Animal Sciences」

點擊圖片觀看地球生物基因體計畫總主持人 Harris Lewin 教授線上演講影片「New Discoveries in Plant and Animal Sciences」 *Harris Lewin 教授演講內容自 10:14 開始。 IMAGE © PacBio Webinar [8].

例如,上圖中所顯示的是被國際自然保育聯盟 (IUCN) 列為極危 (Critically Endangered, CR) 物種的黑鮑螺 (Haliotis cracherodii) 的 HiFi 定序數據全基因體組裝結果。可以看到組裝出的兩套單倍體基因體序列皆具有極高的完整度,BUSCO 值分別為 97.0% 與 96.6%,Contig N50 長度分別是 14.29 Mb 與 1.68 Mb,準確度高達 QV49.8 以上,是非常高品質的全基因體組裝結果。其他在演講中分享的定序組裝成果還包含褐小灰蝶 (Brephidium exilis, 世界上最小的蝴蝶之一)、花蜆蝶 (Apodemia mormo virgulti, 瀕危物種)、百合 (Vellozia tubiflora) 與大樹鼩 (Tupaia tana) 等 [8]。

PacBio 長讀取定序技術參與多項 EBP 聯盟計畫

PacBio 長讀取定序技術不僅參與了前文所提的 Genome 10K 與加州保育基因體計畫,尚有多項地球生物基因體計畫的聯盟計畫也採用了 PacBio 定序技術,包含英國達爾文生命之樹 (Darwin Tree of Life)、美國百種農業害蟲 (Ag100 Pest (USDA))、澳洲瀕危物種倡議組織 (Threatened Species Initiative, TSI)、澳洲哺乳類基因體計畫 (Oz Mammals Genomics, OMG) 與跨國性脊椎動物基因體計畫 (Vertebrate Genomes Project, VGP) 等 [8, 9]。同時,從《Cell》、《Nature》、《Science》等多篇頂尖期刊文獻中 [10-20],我們也能窺見 PacBio 為植物、動物、昆蟲基因體研究與物種保存帶來的卓越助力,顯示 PacBio HiFi 定序技術已成為當代全基因體定序不可或缺的中堅力量!

全新 Sequel® IIe 定序系統能夠讓您直接取得高品質的 HiFi 定序數據

PacBio 全新推出的 Sequel® IIe 定序系統能夠讓您直接取得高品質的 HiFi 定序數據,縮短 70% 的生物資訊分析時間,並減少 90% 的數據傳輸時間和儲存空間需求,協助您以更高效經濟的方式完成精確的全基因體定序與從頭組裝 (de novo assembly)。除此之外,PacBio 團隊還開發設計出三種不同 DNA 起始量需求的建庫流程,確保從多倍體生物到體型微小生物,都能得到最佳化的建庫指引。您可以透過這個影片快速了解如何選擇合適的建庫流程,同時也將看到數個應用實例的全基因體組裝數據,包含加州紅杉樹、蝴蝶、蚊子等等。若您希望進一步了解 PacBio HiFi 定序實驗實踐細節與生物資訊分析流程,歡迎洽詢 PacBio 台灣代理 — 伯森生技

PacBio 全新推出的 Sequel® IIe 定序系統能夠讓您直接取得高品質的 HiFi 定序數據

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References

  1. WWF Living Planet Report 2020. World Wide Fund For Nature (WWF)
  2. Summary Statistics. IUCN Red List of Threatened Species
  3. Lewin HA, et al. Earth BioGenome Project: Sequencing life for the future of life. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Apr 24;115(17):4325-4333. PMID: 29686065
  4. Goals. Earth Biogenome Project
  5. Institutional Members. Earth Biogenome Project
  6. Affiliated Project Networks. Earth Biogenome Project
  7. Rhie A, et al. Towards complete and error-free genome assemblies of all vertebrate species. Nature. 2021 Apr;592(7856):737-746. PMID: 33911273
  8. New Discoveries in Plant and Animal Sciences. Harris Lewin, Chair of the Earth BioGenome Project at UC Davis. 2021 Feb 5. PacBio Webinar
  9. Conservation is For Life, Not Just For Earth Day. Jonas Korlach, Chief Scientific Officer at PacBio. 2021 Apr 22. PacBio Blog
  10. Zhang C, et al. Genome design of hybrid potato. Cell. 2021 Jul 22;184(15):3873-3883.e12. PMID: 34171306
  11. Morin PA, et al. Reference genome and demographic history of the most endangered marine mammal, the vaquita. Mol Ecol Resour. 2021 May;21(4):1008-1020. PMID: 33089966
  12. Zhou Y, et al. Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology and evolution. Nature. 2021 Apr;592(7856):756-762. PMID: 33408411
  13. Mascher M, et al. Long-read sequence assembly: a technical evaluation in barley. Plant Cell. 2021 Mar 12:koab077. PMID: 33710295
  14. Lovell JT, et al. Genomic mechanisms of climate adaptation in polyploid bioenergy switchgrass. Nature. 2021 Feb;590(7846):438-444. PMID: 33505029
  15. Zhou Q, et al. A Chromosomal-scale Reference Genome of the Kelp Grouper Epinephelus moara. Mar Biotechnol (NY). 2021 Feb;23(1):12-16. PMID: 33029658
  16. Warren WC, et al. Sequence diversity analyses of an improved rhesus macaque genome enhance its biomedical utility. Science. 2020 Dec 18;370(6523):eabc6617. PMID: 33335035
  17. Gao Q, et al. High-quality chromosome-level genome assembly and full-length transcriptome analysis of the pharaoh ant Monomorium pharaonis. Gigascience. 2020 Dec 15;9(12):giaa143. PMID: 33319913
  18. Sun X, et al. Phased diploid genome assemblies and pan-genomes provide insights into the genetic history of apple domestication. Nat Genet. 2020 Dec;52(12):1423-1432. PMID: 33139952
  19. Fuller ZL, et al. Population genetics of the coral Acropora millepora: Toward genomic prediction of bleaching. Science. 2020 Jul 17;369(6501):eaba4674. PMID: 32675347
  20. Driguez P, et al. LeafGo: Leaf to Genome, a quick workflow to produce high-quality De novo genomes with Third Generation Sequencing technology. bioRxiv. 2021 Jan 26. DOI: 10.1101/2021.01.25.428044
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