引言

? ? ? ?二代測序技術的出現，使得便宜有效的得到物種的基因組成為可能，大熊貓由于其瀕危的地位和特殊的竹子食性受到廣泛的關注，科學家們一直致力于研究并試圖解決大熊貓危機，尋找影響大熊貓特殊生活習性的特殊基因組成分，本篇綜述旨在闡述近十年，從第一個大熊貓基因組發表，到對大熊貓的基因組特征分析、比較基因組學、群體規模變化等相關的新科學研究進展。

正文

1.?? ??大熊貓保護難題

?????? 大熊貓（Ailuropoda melanoleura）在生物分類學上屬于哺乳綱、食肉目、熊科、大熊貓屬。其99%的食物來源都是竹子，大熊貓的歷史可以追溯到800萬年前，被稱為“活化石”。由于大熊貓的數目稀少，種群瀕臨滅絕，大熊貓被列為了中國國家一級保護動物。造成大熊貓數量稀少的主要原因有兩個，第一個是人類活動，由于人口數量的增加以及人類對大熊貓生存環境的破壞，導致大熊貓食物和棲息地減少，種群數量下降，同時大熊貓的棲息地變得支離破碎，目前主要有中國陜西秦嶺南坡，甘肅、四川交界的岷山，四川的邛崍山、大相嶺、小相嶺和大小涼山等彼此分割的6個區域，由于地理隔離的產生，各個種群之間無法進行基因交流，種群內近親繁殖現象無法避免，導致大熊貓后代生命力降低，畸形甚至致死。第二個原因是大熊貓的生殖能力低，大熊貓一生中產仔數量少，由于大熊貓傾向于撫養同一胎中更加強壯的幼仔，拋棄體弱的幼仔，所以其幼仔存活率低，這使得大熊貓種群數量難以增長。

在人工飼養和生態環境保護的情況下，大熊貓的數量有所增加，然而，人工飼養并不能從根本上解決大熊貓繁殖艱難的問題，如何使得大熊貓像野生動物一樣獨立的在野外生存繁衍仍然是一個任重而道遠的課題，通過對大熊貓基因組的研究，有望從遺傳的方面了解熊貓生殖和特殊習性的特征，從而對大熊貓的繁育有更好的幫助。

2.?二代測序助力大熊貓基因組研究

?????? 第一代測序又稱Sanger測序，始于1977年，通過在DNA片段的末端加入帶熒光標記的雙脫氧核糖核苷酸，結合凝膠電泳以及識別熒光信號的方法，可以測得DNA序列。Sanger測序有著準確度高的特點，然而由于測一條長度為X的DNA序列，需要生成至少X條DNA片段，以及中間各個步驟的繁瑣，因此使用Sanger測序測大型的基因組，需要花費大量的人力和財力，因此無法用來經濟的測大規模哺乳動物基因組（基因組大小用Gb計算）。第二代測序技術采用邊合成邊測序的方法，將DNA固定在固體表面，使用DNA聚合酶延長DNA，通過PCR放大信號，激發熒光信號依次得到堿基序列，二代測序的優點在于高通量，較低的成本以及自動化的過程可以節省測序的時間、人力和成本。使用第一代測序技術測大小為3Gb的人類基因組花費了3年時間，而利用第二代測序技術測人類基因組僅需要一周甚至更短的時間。

?????? 大熊貓第一個基因組草圖由Ruiqiang等人[1]使用全基因組鳥槍法和Illumina測序平臺大熊貓晶晶進行了全基因組測序，測序深度達到73x，使用SOAPdenovo對其進行de

novo組裝。這個基因組的發布不僅推動了哺乳動物遺傳學研究，同時也證明了第二代測序技術用于精確的，經濟的和快速的組裝大型真核基因組的可行性。2016年，Yibo等人[2]結合82x新的大熊貓基因組測序數據以及Ruiqiang等人發表的第一個大熊貓基因組測序數據重新組裝了大熊貓基因組，新的大熊貓基因組質量的到了改善，其中contig N50從40kb提升到126.71kb，scaffold N50 從1.28Mb到9.9Mb。

3.? ??大熊貓基因組組成

2009年，Ruiqiang等人[1]發布了第一個大熊貓基因組草圖，大熊貓基因組大小為2.25Gb，覆蓋了整個基因組的94%，經過注釋得到21001個基因，在二倍體基因組中鑒定了270萬個雜合的SNP，267，958個小indels。通過基因組組成分析，大熊貓基因組相比較于狗的基因組存在著更低的分化率。Ruiqiang等人[1]在大熊貓基因組中發現有編碼消化酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、纖維素酶、乳糖酶、轉化酶和麥芽糖酶的基因，表明大熊貓可能具備肉食消化系統所需的所有成分，而沒有發現纖維素酶基因的同源物，這表明大熊貓吃竹子的飲食習慣可能更依賴于其腸道微生物群，而非自己的基因組組成。同時大熊貓的T1R1基因成為一個假基因，這可能是大熊貓對肉類及氨基酸類的鮮味不敏感的原因。關于大熊貓繁殖力低的現象，科學家們發現了假基因FSHB2，這個假基因是否關乎大熊貓的生殖特征還有待進一步的研究。2015年，Huang等人[3]鑒定了大熊貓基因組中的微衛星，共鑒定出154,677個四核苷酸微衛星，其中15個被發現為多態性和穩定基因座。2018年，Peng等人[4]重新注釋了大熊貓基因組的轉座因子，SINEC1_AMe，SINEC1B_AMe和SINEC_C1是大熊貓基因組中最豐富的三大Can-SINE亞家族，SINEC1_AMe和SINEC1B_AMe最為活躍。

4.? ??大熊貓比較基因組學

2015年，Yonggang等人[5]比較分析了大熊貓和人類、北極熊、雪貂、狗、貓、老虎、老鼠的基因組。在大熊貓的雙氧化酶2 (DUOX2)基因中發現了第16外顯子中含有C到T的單次取代，導致過早終止密碼子(TGA)，它與人類的DUOX2基因是同源的，負責催化水轉化為過氧化氫的多氧編碼跨膜蛋白，用于T4和T3合成的最后一步。轉錄組數據中也觀察到這種突變，表明DUOX2的轉錄本不會被翻譯成完整的蛋白。在人類和小鼠中，DUOX2的功能缺失突變會導致甲狀腺功能減退。可能成為大熊貓低能量代謝的原因之一。

2016年，Yibo等人[2]比較分析了小熊貓（Aliurus fulgens）基因組和大熊貓基因組，兩個物種都以竹子為食，同時具有適應于取食竹子的假拇指，在基因組層面兩只熊貓的鮮味受體基因TAS1R1都是假基因，這可能使得它們對肉類不敏感，同時肢體發育基因DYNC2H1和PCNT經歷了自適應收斂，可能是假拇指發育的重要候選基因。

5.? ??大熊貓群體變化歷史

2012年，Shancen等人[6]對34只野生大熊貓進行了全基因測序，結合Ruiqiang等人發表的大熊貓基因組草圖，揭示了大熊貓的演化歷史。通過微衛星位點分析，證明了大熊貓具有很大的遺傳多樣性。Shancen等人[6]使用pairwise sequentially Markovian

coalescent (PSMC)[7]模型來研究大熊貓基因組中雜合子的局部密度變化。大熊貓起源于800萬年前，其數量在100萬年前達到高峰，70萬年前熊貓數量開始下降，由于巴科尼熊貓比侏儒熊貓更適應寒冷的天氣，所以從75萬年前開始巴科尼熊貓取代了侏儒熊貓，在20萬年前大熊貓數量進入瓶頸期，這個過程與歷史上中國處于冰川時期時間相吻合，冰川消退之后大熊貓數量于4萬年前達到高峰，2萬年前大熊貓又經歷了一次冰期，導致大量的棲息地喪失，再加上人為的獵殺，使得大熊貓數量2萬年前達到瓶頸。

結論

近十年來，通過對基因組成分的分析以及比較基因組學，在大熊貓的特殊食性上研究了一些可能的機制，比如假基因TAS1R1。而在大熊貓的生育力研究方面還有很大的研究空間。比較基因組學依然是確定生物功能遺傳基礎的有力工具。同時多組學分析應用于大熊貓相關研究及其他哺乳類動物具有很廣闊的前景。

Reference：

[1].?? Li R, Fan W, Tian G, Zhu H, He L, Cai J, etal. The sequence and de novo assembly of the giant panda genome[J]. Nature.2009;463:311.

[2].?? Hu Y, Wu Q, Ma S, Ma T, Shan L, Wang X, et al. Comparativegenomics reveals convergent evolution between the bamboo-eating giant and redpandas[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2017;114(5):1081.

[3].?? Huang J, Li Y-Z, Du L-M, Yang B, Shen F-J, Zhang H-M, et al.Genome-wide survey and analysis of microsatellites in giant panda (Ailuropodamelanoleuca), with a focus on the applications of a novel microsatellite markersystem[J]. BMC Genomics. 2015;16(1):61.

[4].?? Peng C, Niu L, Deng J, Yu J, Zhang X, Zhou C, et al. Can-SINEdynamics in the giant panda and three other Caniformia genomes[J]. Mobile DNA.2018;9(1):32.

[5].?? Nie Y, Speakman JR, Wu Q, Zhang C, Hu Y, Xia M, et al.Exceptionally low daily energy expenditure in the bamboo-eating giant panda[J].Science. 2015;349(6244):171.

[6].?? Zhao S, Zheng P, Dong S, Zhan X, Wu Q, Guo X, et al. Whole-genomesequencing of giant pandas provides insights into demographic history and localadaptation[J]. Nature Genetics. 2012;45:67.

[7].?? Li H, Durbin R. Inference of human population history fromindividual whole-genome sequences[J]. Nature. 2011;475:493.