白菜官网张鹏团队在系统发育基因组研究的实验方法学上取得新突破

       扩增子捕获 (Amplicon capture) 是一种经济高效的分子系统学数据收集方法。该方法首先利用通用扩增引物集从目标生物类群的代表物种中扩增大量的目标PCR片段 (即扩增子)；然后在这些片段的两端添加生物素化的接头，并用生物素标记的接头引物对片段进行扩增，得到大量含有生物素标记的扩增子探针；接着就可以利用这些探针从DNA文库中“钓”取特定区域并进行高通量测序 (图1)。在扩增子捕获实验中，扩增子探针的数量和组成可以根据项目需求灵活调整，制备周期短，实验成本低，捕获得到的数据完整，因此该方法广泛适用于从种级至纲级的系统发育基因组学研究。

       开展扩增子捕获实验的关键在于拥用大量类群通用的扩增引物集，但目前这些通用的扩增引物资源却相当有限，仅在脊椎动物、甲虫和鳞翅目昆虫中有少量的积累，这极大限制了扩增子捕获的广泛应用。目前国际数据库中动物的基因组数据正在快速积累，覆盖了大多数后生动物类群，这为通用扩增引物的开发提供了重要的数据来源。然而，大规模分析大量物种的基因组数据并进行引物开发需要丰富的基因组数据分析经验和引物设计经验，对绝大多数研究者而言是一项巨大的挑战。针对这一问题，张鹏团队开发了一款名为UPrimer的通用扩增引物设计程序。它能够以基因组数据为输入，全自动化的为给定生物类群大规模开发通用扩增引物集，助力扩增子捕获实验在相关生物类群中开展。
 
       UPrimer采用Python语言编写的，包含两大模块，涵盖了通用扩增引物开发的全部过程。与其他的通用引物设计程序相比，UPrimer有两个独创之处：
       (1)具备全自动化的引物开发模式。研究者仅需要输入一行简单的命令，UPrimer就能自行分析基因组数据并输出目标生物类群的通用扩增引物表。该表可直接用于引物合成以及后续的扩增子捕获实验。
       (2)引物设计采用巢式PCR引物设计策略，即设计两对引物扩增目标区域。该策略能够大大增加基因片段的扩增成功率 (>90%)，显著提升扩增子探针制备的效率。

       借助UPrimer，研究人员为21个后生动物类群开发了扩增通用引物集，覆盖了节肢动物、软体动物、刺胞动物、扁形动物、棘皮动物以及脊椎动物等主要多细胞动物分类单元，每套引物集包含约1,000个基因片段。为了验证UPrimer开发引物的扩增性能，研究团队选取了六个后生动物代表类群进行PCR扩增测试。结果表明，无论在亚目、目、纲还是亚门级的分类水平，UPrimer设计的通用引物集均能高特异性的扩增出目标基因片段，扩增成功率均超过90% (图2)，这表明UPrimer开发的引物集非常易于使用，完全能满足扩增子捕获探针制备的要求。

       扩增子捕获与近年来广泛采用的基于商业合成探针的AHE、UCE捕获测序相比，在探针制备成本、探针制备周期、捕获片段的平均长度上均有明显优势（表1）。Uprimer引物自动化开发功能的实现，让非生物信息学专家也能轻松地通过基因组分析获取所需的通用引物集，进而借助扩增子捕获以低成本、快速、便捷的方式获取基因组级别的分子数据。随着更多类群通用性引物集被开发出来，扩增子捕获在未来的系统发育基因组学研究中将具有十分广泛的应用前景。近日，该成果以“UPrimer: A Clade-Specific Primer Design Program Based on Nested PCR Strategy and Its Applications in Amplicon Capture Phylogenomics”为题发表在国际进化生物学的权威期刊Molecular Biology and Evolution上。白菜官网张鹏教授和梁丹副教授为该项工作的共同通讯作者，原博士后李佳璇 (现于暨南大学生命科学技术学院工作) 为该文第一作者。此项研究得到了国家自然科学基金、中组部“青年拔尖人才计划”等项目资助。
 
文章链接：
https://academic.oup.com/mbe/article/40/11/msad230/7313555
 
UPrimer下载地址：
https://github.com/zhangpenglab/UPrimer
 
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