中国热科院南亚所在龙舌兰亚科基因组及cam进化机制上取得进展
作者：杨子平
来源：南亚热带作物研究所
日期：2023-12-27
近日，中国热科院南亚所剑麻研究团队在龙舌兰亚科基因组及cam进化机制上取得进展，该研究构建了龙舌兰亚科首个染色体级别参考基因组，揭示了龙舌兰亚科植物基因组增大的原因，发现了龙舌兰科植物不同于其他植物的cam进化分子机制，为龙舌兰科植物（剑麻）分子育种和分析cam进化提供基因组资源。
龙舌兰亚科（中文名“剑麻”）为多年生单次开花植物，开花时间在8-30年，这种生理特征导致剑麻的育种周期漫长。采用基因工程技术能缩短植物育种周期，目前剑麻缺乏参考基因组，阻碍了分子辅助育种技术在剑麻育种中的应用。然而较大的基因组、高比例的重复序列和多倍化，以及难以获得纯合系等因素阻碍了剑麻基因组的研究。
南亚所剑麻团队利用illumina、ont和hi-c测序数据，以国内主栽品种“东方红1号”为材料，组装了龙舌兰亚科首个染色体级别基因组。该基因组总长度为4.87 gb，共注释出58,841个蛋白编码蛋白基因。利用hi-c辅助组装技术将a. hybrid基因组拼接序列锚定30条染色体上，scaffold n50 长度186.42 mb。
图1 a. hybrid形态、基因组特征和共线性分析
通过多组学分析，发现: (1) 两次全基因组复制（wgd）事件、染色体重排和长时间低频率的ltr重复序列插入可能是导致龙舌兰科植物基因组增大、染色体增多的主要原因；(2) 剑麻存在碳固定、次生代谢物合成等特有基因，蛋白/rna/dna合成与稳定相关蛋白受到正选择，糖代谢、植物激素信号途径基因、热激蛋白和逆境胁迫相关转录因子发生基因扩张；(3) cam途径明星pepc基因的数量没有发生增加、没有夜间表达的cam型pepc基因、没有发现三类（r/k/h - d、a - s和r - g）已知的能显著提高pepc酶活性的氨基酸突变；(4) 剑麻pepck基因家族发生基因扩张、mapk信号级联、昼夜节律和植物激素信号转导途径的转录因子参与调控pepck基因表达。
综上结果，该研究构建了龙舌兰亚科首个染色体级别参考基因组，揭示了龙舌兰亚科植物基因组增大的原因，发现了龙舌兰科植物不同于其他植物的cam进化分子机制，研究结果为龙舌兰科植物（剑麻）分子育种和分析cam进化提供基因组资源。
图2 a. hybrid cam途径基因的转录调控
该项工作相关研究成果以“a chromosome-level genome assembly of agave hybrid no.11648 provides insights into the cam photosynthesis”发表在horticuture research（中科院一区，影响因子8.7）。团队杨子平博士为该论文的第一作者，周文钊研究员为通讯作者。该研究得到国家现代农业产业技术体系麻类产业技术体系岗位专家经费、广东省自然科学基金、海南省自然科学基金和中国热带农业科学院基本科研业务费专项的资助。
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