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New Phytol:蕎麥基因組的比較分析揭示了代謝組差異和生態型分化的遺傳基礎
2022-08-04 14:29

2022年6月,中國農業科學院作物科學研究所周美亮研究員團隊在國際期刊New Phytologist上發表論文。研究使用比較基因組方法,為苦蕎的藥理遺傳性狀改良和雜交育種奠定了理論基礎。安諾優達為本研究提供基因組分析服務。

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題目:Comparison of buckwheat genomes reveals the genetic basis of metabolomic divergence and ecotype differentiation

DOI:doi.org/10.1111/nph.18306

2022年影響因子/JCR分區:10.323/Q1

 

本研究使用比較基因組方法,從染色體水平揭示了金蕎和苦蕎遺傳差異,及類黃酮物質合成相關基因的進化差異,并基于重測序劃分了金蕎的生態型,進一步驗證了控制類黃酮物質合成的關鍵基因。

 

周美亮團隊博士后何銘(現中國農業科學院蔬菜花卉研究所助理研究員)、博士后何毓琦、副研究員張凱旋、博士生盧翔為該論文共同第一作者,周美亮研究員為通訊作者,安諾優達為本研究提供基因組分析服務,同時也是文章共同第一作者。

 

1、研究背景

1)金蕎富含類黃酮,一種在治療感染、癌癥和糖尿病里備受關注的物質;

2)金蕎被認為是改良栽培蕎麥的理想野生近緣種,通過雜交可以改良蕎麥的性狀。


2、研究內容

1)通過金蕎和蕎麥的比較基因組分析,探討類黃酮合成的調控機制;

2)通過對34份野生材料的重測序,進一步明確潛在重要性狀的候選基因;

3)希望通過基因組分析為蕎麥類黃酮合成基因的進化提供了新的思路,并有望為金蕎和其他植物的生物學問題研究和植物藥理遺傳改良提供幫助。


3、技術路線

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4、主要研究方法&結果

1)基因組組裝

本研究使用三代測序技術和Hi-C技術構建了染色體水平的金蕎基因組,大小為1.08Gb,雜合度1.02%。由于高雜合度,初步組裝基因組大小為1.59Gb,去冗余之后基因組大小為1.08Gb,與流式和survey結果接近?;蚪Mcontig N50 2.84Mb,BUSCO 92.9%。0.74Gb(68.21%)基因組序列由重復序列組成,LTR重復是最常見的重復,其中Gypsy和Copia豐度最高。使用RNA、ab initio預測和同源預測方法注釋到38919個基因。

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基因組結構分析


2)染色體結構差異

共線性分析表明,金蕎和苦蕎在全染色體水平上檢測到1對1的共線關系,包括114個區塊,共線基因20676個??嗍w自分化以來,出現了更多的缺失,這與金蕎基因組大于苦蕎一致。同時觀測到2個大的染色體倒位Chr3 (29.5 Mb)和Chr4 (23.8 Mb),分別包括1673個基因和759個基因。

GO富集分析表明Chr3斷點附近的基因在“莖尖分生組織發育”、“碳水化合物代謝過程”和“代謝過程”顯著富集,包括9種類黃酮合成相關基因。Chr4斷點附近的基因與細胞壁生物合成相關通路顯著富集。


3)Ks/Ka分析

進化分析發現,金蕎和苦蕎約1 Mya前分化,金蕎基因組約是苦蕎(0.48Gb)的兩倍,但是基因數量類似,這主要是由于重復序列擴增導致。Ks/Ka分析表明物種形成事件的Ks峰對應的基因在代謝和發育過程中顯著富集,包括脂質代謝、類黃酮代謝、果實發育和側根形成,表明金蕎代謝相關基因受到強烈選擇。


4)全基因組復制分析

全基因組復制事件也驅動了金蕎基因組擴張,在金蕎麥和苦蕎中只發現了一個Ks峰,Ks = ~0.99。這表明在物種形成之前的71.1 Mya左右發生了一次古老的全基因組復制事件(WGDs),沒有最近的WGDs事件。

進一步分析表明,在金蕎麥和苦蕎基因組中,重復類型的分布相似,主要有散在重復、WGD和轉座子重復,但金蕎麥的散在重復類型占比更高。通過散在重復、近端重復和串聯重復引起的基因重復在類黃酮合成基因附近更高。串聯重復也在細胞壁合成相關基因附近富集。轉座子重復與蛋白質磷酸化修飾和生物和非生物脅迫反應相關。WGD基因主要富集于非生物脅迫和生物脅迫及發育相關方面。

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進化分析


5)基因家族分析

石竹目(金蕎、蕎麥、Beta vulgaris和B. patula)的基因家族分析表明,石竹目共有10338個共享基因家族和7277個金蕎和苦蕎的同源基因家族。通過對金蕎麥和苦蕎的比較,發現了8個金蕎麥特有的植物自交不親和蛋白S1,與金蕎麥的自交不親和一致。

構建了13個物種共有344個單拷貝基因的系統發育樹,結果表明,蕎麥和甜菜聚在Brassicales和Rosales之外的一個分支上,與其他雙子葉植物的差異約為138 Mya。

基因家族的進化在植物表型多樣性中起著重要的作用。金蕎鑒定出了739個擴增基因家族和528個收縮基因家族,擴增基因家族在細胞調控、合成和代謝過程富集。對鑒定到的85個細胞色素P450進行分析,涉及次級代謝和激素代謝,其中54個具有類黃酮3'-單加氧酶結構域,12個與苦蕎FtF3'5'H相關。


6)轉錄&代謝產物差異分析

與苦蕎相比,金蕎中FAR基因拷貝數增加,這與植物生長發育、代謝過程相關。FdFRS1基因在金蕎的根毛處超表達可以提高一種類黃酮(蘆?。┑暮?。

對金蕎麥的地下膨大莖、根和苦蕎的根的代謝組學分析發現,金蕎中兒茶素、原花青素、蘆丁、槲皮素等黃酮類物質含量遠高于苦蕎,這是金蕎麥可做藥用的重要基礎。驗證了基因組層面金蕎中黃酮類物質合成相關基因擴增。

 

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轉錄和代謝比較


7)34份重測序數據分析

對34份直立和斜生生態型的二倍體野生金蕎測序,并進行了性狀評價,發現直立生態型的農藝性狀優于斜生生態型,而斜生生態型的品質性狀更優。進而挖掘到一系列與品質和農藝性狀相關的基因,并開發了分子標記。


5、結論

綜上所述,本研究提供的基因組序列為闡明金蕎藥用相關分子的合成及其調控機制奠定了基礎,為蕎麥等含有增值分子藥用植物的育種或基因工程提供了參考。通過野生種的重測序結果發現金蕎包含廣泛的遺傳變異,可為研究金蕎群體結構、為今后更好地利用金蕎自然遺傳變異資源進行蕎麥育種提供依據。

 

關于安諾

作為中國基因組行業的平臺型企業,安諾基因擁有專業的測序服務平臺,配備系列儀器設備,其中三代PacBio擁有7臺Sequel II+4臺Sequel IIe。在動植物基因組De novo測序、全長轉錄組測序、真菌細菌基因組測序、三代宏基因組測序、人重測序、動植物重測序、微生物全長擴增子等方向擁有豐富的項目經驗和物種經驗;專業的服務團隊,多種項目分析經驗,讓您的數據分析之途無憂。安諾優達已與中國農業大學、中科院遺傳與發育所、中國海洋大學、中國農業科學院、福建農林大學等多家科研院所開展了深度合作,助力基因組文章發表于Cell、Nature、Nature Plants、Nature Communications、Molecular Plant、Communications Biology、The Plant Journal等多個高水平期刊。

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