南湖新闻网讯（通讯员 王朔 范如旖）近日，植物科学技术学院油菜团队郭亮教授联合崖州湾国家实验室在Nature Communications上发表了题为“Chromosome-level assembly and analysis of three hydroxy fatty acid-producing Physaria species”的研究论文，该论文围绕基因组的组装、物种演化、着丝粒特征及羟基脂肪酸（HFA）的合成机制等方面展开系统研究，不仅为Physaria属的演化历程提供了重要参考，还为作物中HFA的定向改良以及将Physaria植物开发为高经济价值的油料作物提供了关键遗传支撑。

羟基脂肪酸（HFA）是制造润滑剂、尼龙、化妆品等产品的关键工业原料，传统主要依赖蓖麻提取。但蓖麻含蓖麻毒素，且不适合大规模农业种植生产，难以满足规模化生产需求。而十字花科Physaria属植物（原分类名为Lesquerella）的种子天然富含HFA（C20:1-OH），且无毒素积累，是理想的替代资源，其中P. lindheimeri和P. pallida的HFA含量高达80%以上，P. fendleri更是被视为安全HFA的核心培育对象。然而，Physaria属的基因组资源缺失，其HFA高效合成的遗传机制并不清楚，制约了HFA的产业发展。

该研究利用PacBio测序技术和Hi-C技术，完成了三种代表性Physaria属物种（P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri）的染色体水平的基因组组装（图1）。通过对基因组的演化分析，发现Physaria属与拟南芥的分化发生在15.11亿年前。此外，在14.10~14.46亿年前，Physaria属不仅经历了芸苔科物种共有的α和β全基因组加倍事件，还经历了两个连续的物种特异性全基因组加倍事件。这些频繁的全基因组重复事件极大地促进了十字花科物种的多样性。基于高质量的参考基因组，还发现Physaria属的着丝粒区域存在高度保守的111 bp卫星重复序列，且富集Gypsy/CRM和Copia/Al两类逆转录转座子。此外，在Physaria属基因组中还发现了大量串联重复基因，功能富集分析表明，这些基因可能在维持物种生物稳态、适应环境中发挥重要作用。

图1 Physaria属物种基因组组装

P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri的种子中，HFA（C20:1-OH）的含量占它们对应总脂肪酸含量的80.78%、84.56%和51.19%。这种HFA含量的差异为解析Physaria属物种积累HFA的机制提供了宝贵的种质资源。为了阐明三种Physaria属植物油脂生物合成和HFA积累的遗传机制，本研究比较了不同发育阶段（种子发育早期、中期和后期）的种子、叶片和茎的转录组。分析发现在脂质合成基因如FAH12、KCS3、LPAT和DGAT等在Physaria种子高表达，推测这些基因可能是HFA大量积累的主要原因。通过基因表达分析、同源序列比对、蛋白质结构预测、底物的分子对接以及酶活性验证，证明FAH12介导的C18:1羟基化生成C18:1-OH是决定C20:1-OH含量差异的关键步骤，并鉴定出影响FAH12活性的关键氨基酸位点Q111和H225，揭示了FAH12调控HFA合成的分子机理（图2）。该研究不仅丰富了Physaria植物HFA代谢的理论基础，更为作物中HFA的定向改良提供了重要的科学依据与基因资源。

图2 Physaria属FAH12活性关键氨基酸位点

华中农业大学/崖州湾国家实验室郭亮教授、崖州湾国家实验室陈玲玲教授、华中农业大学鲁少平副研究员和美国蒙大拿州立大学陆朝福教授为本文共同通讯作者。华中农业大学已毕业博士王朔（现崖州湾国家实验室博士后）和华中农业大学博士后范如旖为论文共同第一作者。华中农业大学的张蒙玲博士和已毕业博士周智伟参与了本文的研究，华中农业大学谢为博教授、华北理工大学王金朋、加拿大阿尔伯塔大学陈冠群教授和美国内布拉斯加大学林肯分校Edgar B. Cahoon教授参与了本研究的指导。研究得到国家杰出青年科学基金和中央高校基础研究基金等项目支持。

【英文摘要】Several Physaria species (Brassicaceae) produce abundant hydroxy fatty acids in their seeds, with industrial applications. Here, we report three chromosome-level genomes of Physaria species: P. lindheimeri, P. pallida and P. fendleri, with sizes of 344 Mb, 329 Mb and 452 Mb, respectively. Comparative genome analysis reveals that these three Physaria species diverged from Arabidopsis thaliana approximately 14.10-14.46 million years ago and underwent two consecutive Physaria-specific whole-genome duplication events. Their centromeres harbor an 111-bp satellite repeat and two retrotransposon classes (Gypsy/CRM, Copia/Ale). Transcriptomic analysis identifies seed-highly expressed lipid synthesis genes potentially underlying unique fatty acid profiles. Furthermore, we pinpoint the two residues in FAH12 variants that cause the disparity in hydroxylation activity among the three Physaria species. Taken together, this study provides important genomic resources for investigating the evolution of Physaria species and developing industrial oil crops for sustainable production of hydroxy fatty acids.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66337-z

审核人：郭亮 鲁少平