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我校成功解析蜡梅染色体水平的基因组图谱

核心提示: 近日,我校刘秀群、赵凯歌研究组和金双侠研究组,联合西南林业大学陈龙清研究组在开放获取期刊Genome Biology杂志上在线发表了我国传统名花蜡梅(Chimonanthus praecox)的染色体水平精细基因组图谱。

南湖新闻网讯(通讯员 尚均忠)近日,华中农业大学刘秀群、赵凯歌研究组和金双侠研究组,联合西南林业大学陈龙清研究组在开放获取期刊Genome Biology杂志上以“The chromosome-level wintersweet (Chimonanthus praecox) genome provides insights into floral scent biosynthesis and flowering in winter”为题,在线发表了我国传统名花蜡梅(Chimonanthus praecox)的染色体水平精细基因组图谱。

该研究综合解读了蜡梅基因组的基本特征、以蜡梅为代表的木兰类植物物种进化位置、蜡梅全基因组多倍化事件以及樟目植物基因组进化历史,对蜡梅花香合成代谢网络中相关关键基因进行了深入研究,系统解析了蜡梅花芽分化到开花的发育过程,为被子植物演化、蜡梅花香生物合成及开花提供了新见解。

图1蜡梅系统进化位置

图1 蜡梅系统进化位置

蜡梅是木兰类樟目蜡梅科蜡梅属植物,为我国历史传统名花,有上千年的栽培历史,其花香浓郁,是稀有冬季开花的木本花卉。花期特殊、花香浓郁赋予其独特的观赏特性,广泛应用于盆景栽培、园林绿化、切花生产,具有极高的观赏应用价值。目前,几乎所有的中国园林绿地中都栽种有蜡梅;近年在上海、重庆、成都开发它作为春节和圣诞节的木本切花;蜡梅作为药草植物,在木草纲目中已有记载。蜡梅作为木兰类植物的代表,在被子植物进化历史过程中具有重要地位。蜡梅基因组的破译为木兰类植物系统位置提出了新见解,为解析蜡梅生物学观赏特性奠定了重要的基础。

研究团队利用二代Illumina Hiseq2000和三代PacBio测序平台进行测序,结合10x Genomics和Hi-C获得了染色体水平的精细基因组,该基因组大小为695.36 Mb,contig N50为2.19 Mb,Scaffold N50 达到65.35 Mb,99.42%的序列锚定到11条染色体上。

研究者利用蜡梅、夏蜡梅以及其他15个具有代表性被子植物的基因组数据,通过溯祖法和串联法构建了系统进化树,结果表明木兰类植物与双子叶植物互为姐妹关系。

图2蜡梅全基因组复制事件及其进化历史

图2 蜡梅全基因组复制事件及其进化历史

研究者利用蜡梅基因组内、与其他物种基因组间的共线性分析以及Ks分析,检测到蜡梅经历两次全基因组复制事件,估计蜡梅两次全基因组复制事件分别发生在大约77.8和112.1Ma。其中较古老的全基因组复制事件发生在樟科和蜡梅科分化之前,近期的全基因组复制事件发生在樟科和蜡梅科分化之后。蜡梅基因组在历史进化中经历了复杂的染色体断裂、融合及片段重组过程。

图3蜡梅花发育周年变化重要基因挖掘

图3 蜡梅花发育周年变化重要基因挖掘

研究团队结合细胞学和转录组学对蜡梅花芽周年发育过程的分子机制进行了研究,对花芽分化、花器官特化以及花器官发育、花芽休眠和抗寒等生物学特性进行了分子解析,鉴定到了大量成花转变、花发育以及开花时间相关候选基因,为将来功能基因组学研究奠定了良好的基础。

图4蜡梅花香萜烯代谢途径重要基因挖掘及功能解析

图4 蜡梅花香萜烯代谢途径重要基因挖掘及功能解析

此外,团队在高质量基因组图谱基础上,解析了蜡梅花香主成分形成的分子机制。单萜化合物芳樟醇是蜡梅花香的主要成分,占花香总成分将近50%。该类物质主要由单萜合酶催化产生,通过比较基因组分析发现单萜合酶TPS-b亚家族基因在蜡梅中发生了显著扩张,而这些基因扩张的主要来源是基因的串联复制事件。为进一步挖掘芳樟醇合成的关键基因,研究者结合蜡梅花发育不同阶段转录组和花香挥发物的代谢组数据,得到了芳樟醇合成的候选基因,然后通过体外酶活及烟草异源稳定转化实验进行候选基因功能验证,成功鉴定到芳樟醇合酶基因CpTPS4。同时发现该基因在基因组还有另外四个拷贝CpTPS17、CpTPS18、CpTPS19和CpTPS50,其中CpTPS17、CpTPS18、CpTPS19在花中高表达。基于蜡梅基因组共线性分析,结果显示CpTPS17、CpTPS18基因是通过串联复制进化产生的;串联复制带来芳樟醇合成酶剂量上的变化进而导致蜡梅特征香气芳樟醇的形成。苯环类化合物乙酸苄酯是蜡梅的特征香气成分,研究发现乙酸苄酯合成通路关键酶多数是通过全基因组复制和串联复制事件产生的,尤其是乙酸苄酯合酶BEAT基因。通过蜡梅花发育不同阶段转录组和乙酸苄酯挥发物释放量关联分析鉴定到了乙酸苄酯合成的4个候选基因。此外,研究团队用同样的方法鉴定到三个由串联复制产生的水杨酸甲酯合成酶SAMT候选基因。

综上所述,本研究构建了蜡梅高质量染色体水平上的基因组图谱,为木兰类植物进化位置提供了新证据,初步解析了蜡梅浓郁花香形成以及冬季开花的遗传基础。高质量的蜡梅全基因组序列有助于进一步深入开展分子遗传学研究,鉴定控制冬季开花时间、花香花色等众多性状的功能基因, 从而推动蜡梅基础研究的快速发展和加快新品种创制。

华中农业大学园艺林学学院博士研究生尚均忠、田敬璞,诺禾致源公司程绘绘为论文共同第一作者。华中农大硕士研究生严乔木、李来,博士研究生Abbas Jamal,以及许忠平博士、向林副教授参与了本项研究,Clemson 大学Christopher Saski博士对论文语言进行了润色。西南林业大学陈龙清教授、华中农业大学刘秀群副教授、赵凯歌副教授、金双侠教授为论文共同通讯作者。本研究受到了国家自然科学基金项目的支持。

审核人:刘秀群

原文链接:DOI:10.1186/s13059-020-02088-y





 

责任编辑:蒋朝常 谢丹宁
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