該研究對401份番茄群體材料的酚胺物質(zhì)進行了檢測，通過基于代謝物全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)鑒定出2號染色體上與酚胺合成基因簇（BGC2）。實驗證明基因簇中核心組分SlEPS1參與水楊酸和酚胺的生物合成，其關(guān)鍵氨基酸殘基 His169對酚胺合成至關(guān)重要，且SlEPS1的雙酶活性與增強的抗病性相關(guān)（圖1）

圖1 酚胺BGC2基因簇的定位與鑒定

通過比較不同番茄亞群中SlEPS1位點的核苷酸多樣性，發(fā)現(xiàn)該基因可能受人工選擇影響。變異組分析發(fā)現(xiàn)番茄群體間有兩個不同的SlEPS1單倍型組合：SlEPS1HapA和SlEPS1HapB，其中SlEPS1HapB的植株中酚胺和SA水平更高，抗病性更強。這些結(jié)果表明，在番茄的馴化選擇過程中，SlEPS1HapB的消失可能是導(dǎo)致番茄抗病性降低的原因之一（圖2）。

圖2 SlEPS1馴化遺傳分析

此外，研究還發(fā)現(xiàn)了一個與BGC2顯著共表達的轉(zhuǎn)錄因子SlMYB78。它能夠直接結(jié)合并激活BGC2基因簇的啟動子，從而調(diào)控BGC2基因簇的表達。當(dāng)SlMYB78基因被沉默時，酚胺和水楊酸的含量顯著下降，導(dǎo)致其抗病能力降低（圖3）。

圖3 SlMYB78正調(diào)控基因簇，促進酚胺和水楊酸的積累

綜上所述，番茄馴化過程中，SlMYB78調(diào)控的雙功能基因簇BGC2因抗病單倍型SlEPS1HapB被負(fù)選擇，導(dǎo)致現(xiàn)代番茄酚胺和水楊酸減少，抗病性顯著下降。可以通過基因編輯恢復(fù)SlEPS1HapB功能或增強SlMYB78活性的抗病育種策略，為培育高抗優(yōu)質(zhì)番茄提供理論支撐。

內(nèi)容來源于海南大學(xué)，侵刪

百邁客生物為該研究提供了全基因組重測序服務(wù)。

【無患子小知識】

無患子屬（Sapindus）是無患子科的常綠和落葉喬木，古時又稱“桓”，又有肥珠子、油珠子、鬼見愁、洗手果、肥皂果樹等別稱，本草綱目稱為木患子，主要分布于亞洲和美洲熱帶至亞熱帶地區(qū)，在中國南方地區(qū)自然資源豐富。無患子屬是一類兼具生態(tài)價值與經(jīng)濟價值的植物，其果皮富含天然皂素（皂苷），具有良好的清潔、殺菌和藥用功能，被廣泛用于天然洗滌劑、中藥材與護膚品原料；其種仁富含油脂，適宜作為綠色生物柴油原料。無患子屬樹種適應(yīng)性強、生長周期長，是兼具藥用、園林綠化、環(huán)保與能源開發(fā)潛力的特色樹種。

圖1?無患子屬種質(zhì)分布及單核苷酸多態(tài)性(SNP)?統(tǒng)計分析

【研究亮點搶先看】

六大遺傳群體揭示：研究發(fā)現(xiàn)，中國無患子屬可劃分為6個遺傳群體，包括華東、華北、貴州三個無患子群體，及川滇無患子、毛瓣無患子和雜種三個群體。

?起源之謎破解：通過群體進化歷史分析，團隊推測中國無患子的祖先起源于東南沿海地區(qū)（即華東群體），隨后向西南和北方遷徙擴散。

天然雜交種群的優(yōu)勢性狀發(fā)現(xiàn)：自然雜交個體表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢，兼具高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)油脂成分，展現(xiàn)出極大育種潛力。

揭示關(guān)鍵適應(yīng)性基因：在貴州和華北群體中，研究檢測到與干旱、寒冷和病害抗性相關(guān)的選擇信號基因（如CYP716A, CAMTA，HD-ZIP等），解釋了不同地區(qū)無患子群體的環(huán)境適應(yīng)能力差異。

鎖定油脂合成關(guān)鍵位點：通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS），團隊識別出影響種仁油脂組成的多個關(guān)鍵基因（如ACSL、FAD2、FAB2等），為高品質(zhì)油料品種的選育提供了精準(zhǔn)靶點。

圖2?無患子屬群體間選擇性清除分析

圖3?無患子屬種仁脂肪酸含量GWAS?分析

【成果意義】

無患子屬樹種不僅是天然洗滌品、生物柴油等林業(yè)生物經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的重要原料，也是生態(tài)修復(fù)優(yōu)選樹種。本研究構(gòu)建了無患子屬全基因組多樣性圖譜，為后續(xù)的分子輔助育種、種質(zhì)資源保護與產(chǎn)業(yè)化利用打開了新局面！

內(nèi)容來源于北京林業(yè)大學(xué)，侵刪

2025年4月7日，濰坊現(xiàn)代農(nóng)業(yè)山東省實驗室/北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院和小麥育種全國重點實驗室鄧興旺、何航、李博生團隊在國際頂尖期刊《自然-遺傳學(xué)》(Nature Genetics)上發(fā)表題為“A telomere-to-telomere genome assembly coupled with multi-omic data provides insights into the evolution of hexaploid bread wheat”的突破性成果：成功繪制了六倍體小麥的端粒到端粒（T2T）完整基因組圖譜，實現(xiàn)了小麥基因組從“頭”到“尾”無缺口的精確組裝。這一在山東完成的成果，為我國主糧作物高水平科技自立自強、牢牢把握糧食安全主動權(quán)提供了重要支撐。

百邁客生物為該研究提供了三代測序服務(wù)。

1.多種高精度測序組合策略：搭建小麥完整基因組拼圖的基石

研究團隊利用PacBio HiFi高精度測序和ONT超長讀長測序等前沿技術(shù)，結(jié)合多種算法，成功構(gòu)建了六倍體小麥T2T基因組，命名為“CS-IAAS”版本1.0。該基因組總長度達14.51 Gb（約145億個堿基），實現(xiàn)了42條小麥染色體從端粒到端粒的無缺口拼接（圖1）。相比以往，這一圖譜在完整性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性上實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，為功能基因組學(xué)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。這一成果不僅展示了我國在農(nóng)業(yè)基因組學(xué)研究領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，還為糧食安全戰(zhàn)略提供了強有力的科技支撐。

圖1.六倍體小麥T2T基因組精確完整圖，即CS-IAAS版本1.0

2.揭開染色體復(fù)雜區(qū)域的秘密

借助完整基因組圖譜，研究團隊首次清晰解析了小麥基因組中著絲粒、端粒和核糖體DNA重復(fù)序列（rDNA陣列）等復(fù)雜區(qū)域。其中，著絲粒長度相比之前報道增加了47%，這一精確鑒定為小麥著絲粒功能和進化提供了新的視角。研究發(fā)現(xiàn)，著絲粒區(qū)域主要由大量重復(fù)的轉(zhuǎn)座子序列構(gòu)成，且A、B、D三個亞基因組的著絲粒獨立進化，各有不同。并在小麥多倍體形成中，相對二倍體的著絲粒長度有了大幅增加。此外，D亞基因組中的Retand序列還“滲透”進了A和B亞基因組的著絲粒區(qū)域，揭示了亞基因組間的相互影響。

端粒作為染色體的“保護帽”，在小麥中同時存在植物和脊椎動物兩種風(fēng)格的重復(fù)序列，這一現(xiàn)象在植物中極為罕見。rDNA陣列則被解析為核糖體RNA的重復(fù)基因簇，其周圍主要由轉(zhuǎn)座子序列構(gòu)成，不同染色體間的這些區(qū)域在組成上存在差異。完整測出這些區(qū)域后，為研究這些復(fù)雜區(qū)域的進化提供了新線索。

3.四倍體到六倍體：染色體“大變身”

現(xiàn)代普通小麥?zhǔn)怯扇齻€祖先物種雜交形成的六倍體作物。研究團隊利用T2T基因組圖譜，揭示了小麥從四倍體演化為六倍體過程中發(fā)生的23處主要染色體片段倒位，總長度約5.18億個堿基。這些倒位在現(xiàn)代小麥中全部保留，且斷點處富含特殊短重復(fù)序列，推測對染色體折斷和重新連接發(fā)揮了作用。

圖2. 二、四、六倍體小麥染色體重排與斷點結(jié)構(gòu)解析

4.重復(fù)序列：小麥進化的幕后推手

小麥基因組中大量重復(fù)序列并非“冗余”，而是驅(qū)動其進化的重要力量。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)座子和片段重復(fù)對小麥基因組演化影響深遠。兩個近期大量擴增的轉(zhuǎn)座子家族表明，這些“跳躍基因”在小麥演化晚近時期突然活躍。此外，長末端重復(fù)逆轉(zhuǎn)座子（LTR-RT）在小麥進化關(guān)鍵節(jié)點出現(xiàn)兩次“大爆發(fā)”，為基因組結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了原材料。

片段重復(fù)則為基因創(chuàng)新提供了“備份”，使小麥在進化中積累了豐富的遺傳變異，增強了環(huán)境適應(yīng)力。這些發(fā)現(xiàn)改變了重復(fù)序列是“基因組垃圾”的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了其在基因組擴張、基因復(fù)制和多樣化中的創(chuàng)造性作用。

5.基因注釋升級：小麥育種的新希望

高質(zhì)量基因組圖譜為基因注釋提供了前所未有的精度。研究團隊結(jié)合RNA測序和全長轉(zhuǎn)錄本信息，注釋了141,035個高置信度蛋白編碼基因，并鑒定出大量可變剪接形式。相比以往版本，新增了34,120個高置信度基因，其中包括許多NLR抗病基因，為抗病育種提供了新靶點。為確保注釋準(zhǔn)確性，研究團隊還通過蛋白質(zhì)組學(xué)手段驗證了基因結(jié)構(gòu)，進一步提高了注釋可靠性。這份經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)的基因目錄將成為功能基因組學(xué)研究的寶貴資源。

6.邁入小麥基因組與精準(zhǔn)分子設(shè)計育種研究的新紀(jì)元

六倍體小麥端粒到端粒完整基因組圖譜的發(fā)布，標(biāo)志著小麥基因組研究進入新階段。這一成果不僅深化了對小麥基因組結(jié)構(gòu)和進化機制的理解，還為解析其他復(fù)雜多倍體作物基因組提供了范例。未來，依托這一高質(zhì)量參考基因組，科學(xué)家將更精準(zhǔn)地挖掘與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性相關(guān)的關(guān)鍵基因，為小麥品種改良帶來革命性突破。

內(nèi)容來源于北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院，侵刪

英文標(biāo)題：Haplotype‐resolved genome of a papeda provides insights into the geographical origin and evolution of Citrus

發(fā)表期刊：Journal of Integrative Plant Biology

影響因子：9.3

合作單位：西南大學(xué)柑桔研究所等

百邁客生物為該研究提供了基因組測序及組裝等相關(guān)工作。

研究背景

柑橘是世界上種植最廣泛的水果之一，目前在140多個國家和地區(qū)種植。雖然過去的二十年里柑橘植物的種群結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性已被調(diào)查，但由于其豐富的資源類型和雜交頻繁，許多柑橘物種的起源和進化仍不清楚。野生柑橘物種和原始柑橘保存了豐富的遺傳資源和遺傳多樣性，可用于闡明柑橘物種的起源和進化。2015年，在西雙版納發(fā)現(xiàn)一棵200多年的野生柑橘樹大翼葉柑橘（DYC002），被認(rèn)為是研究柑橘進化及苦味馴化的很好材料。

研究方法

DYC002單倍型基因組組裝：PacBio HiFi 180×；llumina 75×；HIC 134×

群體進化研究：378份具有代表性的材料進行全基因組重測序分析；平均測序深度32.6×

DYC002轉(zhuǎn)錄組測序：幼葉、莖、花、小果和根（3個生物學(xué)重復(fù)）

研究結(jié)果

作者利用53.7G PacBio HiFi、22.6G illumina reads和40.1G Hi-Creads，首先組裝出318.71 Mbp大小的contig版本基因組，contig N50為2.48 M，接著利用HIC數(shù)據(jù)將contig 掛載到染色體上，得到得到294 Mbp的基因組，BUSCO評估完整性大于98%，LTR組裝指數(shù)（LAI）得分高達21.1，測序數(shù)據(jù)回比率為97.43%，進一步支持了組裝的完整性。最后對DYC002基因組注釋，共注釋到34,652個蛋白編碼基因和215,693個重復(fù)序列。重復(fù)序列多為LTR，尤其是Gypsy LTR和Copia LTR，占組裝基因組的23.62%。比較基因組發(fā)現(xiàn)DYC002有191個基因家族正在快速進化。GO富集分析表明，這些快速進化的基因主要富集于萜烯合酶活性、倍半萜合酶活性、（4S）-檸檬烯合酶活性、(E)-檸檬烯合酶活性、葡萄糖苷酶活性和-葡萄糖苷酶活性等功能，表明DYC002在進化過程中香氣和風(fēng)味發(fā)生了顯著變化。

圖1-比較基因組分析

利用CCS數(shù)據(jù)和HIC數(shù)據(jù)，作者組裝出DYC002的兩套單倍型基因組，長度分別為294和300 Mbp，注釋的基因數(shù)量分別為28000和27785個；BUSCO完整度分別為97.39%和97.33%。通過比較分析，兩單倍型基因組間存在175萬個SNPs，303,686個Indels，轉(zhuǎn)錄組分析表明，兩個單倍型中等位基因的表達高度一致。葉片中等位基因特異性表達基因（ASEGs）數(shù)量最高，而花中數(shù)量最低。在單倍型1和單倍型2的組裝中分別發(fā)現(xiàn)了535個和499個單倍型特異性基因。

圖2-單倍型基因組比較分析

為了說明柑橘物種的進化歷史，作者從378份具有代表性的柑橘材料中獲得了基因組重測序數(shù)據(jù)，利用核基因組SNPs進行的系統(tǒng)發(fā)育分析，除了莽山野柑，柑橘屬可分為兩個進化支，一支以寬皮柑橘、宜昌橙、香橙、甜橙等為代表，另一支包括大翼橙、澳指檬、澳沙檬、枸櫞、紅河大翼橙、柚、酸橙等。推測柑橘屬植物從起源中心朝東南亞和中國東部兩個方向進行演化和傳播。選擇性清除分析表明，苦味在柑橘馴化過程中具有較高的選擇，共鑒定出672個選擇性掃描區(qū)，一些參與類檸檬苦素和類黃酮生物合成的4-香豆酸-CoA連接酶、糖苷轉(zhuǎn)移酶受到選擇。

圖3-群體進化分析

研究總結(jié)

高質(zhì)量基因組的發(fā)表對了解柑橘發(fā)揮重要作用。然而，由于其復(fù)雜的遺傳背景，許多柑橘物種的起源和進化仍不清楚。作者從頭組裝了DYC002的294mbp染色體水平的基因組，對兩個單倍型基因組比較，發(fā)現(xiàn)了1.2%的基因組內(nèi)變異，包括175 萬個SNPs，149,471個插入和154,215個缺失。以該基因組為參考，對378份具有代表性的柑橘材料進行了重測序和系統(tǒng)發(fā)育分析，作者研究柑橘屬可分為兩個進化支，證實了柑橘核心種的主要起源中心是華南地區(qū)，特別是喜馬拉雅-橫斷山脈。該研究為了解柑橘品種的起源和進化提供了新的視角，并可能為柑橘育種和改良提供有價值的基因組資源。

文章題目：T2T?genome,?pan-genome?analysis?and?heat?stress response?genes?in?Rhododendron?species

發(fā)表期刊：iMeta

影響因子：23.8

合作單位：貴州大學(xué)，華北理工大學(xué)

百邁客生物為此項研究提供基因組測序及部分分析服務(wù)。

研究亮點：

① 該研究首次報道了具有13條染色體的高質(zhì)量端粒到端粒（T2T）的百合杜鵑基因組；

② 基于15個杜鵑屬植物基因組，對杜鵑屬植物進行了泛基因組分析；

③ 結(jié)合基因組測序和全轉(zhuǎn)錄組測序，鑒定了幾個與熱脅迫相關(guān)的關(guān)鍵基因和miRNA，為杜鵑屬植物的比較基因組學(xué)和功能基因組學(xué)研究提供了豐富的資源。

研究背景

杜鵑花屬于杜鵑花科，是木本植物中最大的屬之一。全世界大約有1000種杜鵑花，中國是重要的分布中心。它們在喜馬拉雅-橫斷山脈經(jīng)歷了進化輻射，橫斷山脈是世界生物多樣性的熱點。杜鵑花屬植物因其觀賞價值而在園藝中占有重要地位。全球氣候變化導(dǎo)致溫度升高，而熱脅迫會影響植物的生長發(fā)育。然而，杜鵑花植物通常適應(yīng)較冷的氣候。利用多組學(xué)分析和分子生物學(xué)技術(shù)研究杜鵑花對高溫脅迫的響應(yīng)機制，對選育耐熱品種、擴大杜鵑花栽培范圍具有重要意義。

材料及方法

T2T基因組組裝：Rhododendron liliiflorum

泛基因組分析：4個本次組裝的基因組+11個已報到的杜鵑屬基因組

全轉(zhuǎn)錄組：CK熱處理、熱處理3天（H3）和6天（H6）條件下進行了全轉(zhuǎn)錄組測序

兩對具有代表性的miRNAs和相關(guān)靶基因進行功能驗證。

研究結(jié)果

1.杜鵑屬植物基因組測序、組裝與評價

該研究通過PacBio HiFi、Oxford Nanopore Technology（ONT）、Illumina和Hi-C技術(shù)（圖1A，表S1-6）對四種杜鵑花植物（Rhododendron liliiflorum、Rhododendron decorum、Rhododendron platypodum和Rhododendron concinnum）進行從頭基因組測序。通過K-mer估算的R. liliiflorum、R. decorum、R. platypodum和R. concinnum的基因組大小分別為759.08 Mb、581.05 Mb、593.47 Mb和1356.22 Mb，并通過流式細(xì)胞術(shù)進一步驗證（表S1，圖1B）。

作者發(fā)現(xiàn)，R. concinnum的基因組幾乎是其他三個物種的兩倍大。因此，作者們利用流式細(xì)胞術(shù)進一步分析了染色體核型，首次發(fā)現(xiàn)R. concinnum為四倍體，核型為2n=4x=52，與其他三個二倍體物種（2n=2x=26）有明顯差異（圖1C，表S1）。

4個物種的基因組大小分別為793.25 Mb、649.87 Mb、652.27 Mb和1321.11 Mb（表S1）。經(jīng)Hi-C檢測，4個種的染色體錨定率均在97.90%以上（圖1D，表S5）。作者獲得了4個高質(zhì)量的組裝基因組，支架N50大于48.68 Mb。核心真核基因作圖法（CEGMA）值從95.63%到99.56%，基準(zhǔn)通用單拷貝同源序列（BUSCO）值從96.65%到97.34%，讀取作圖率超過99.40%（表S7）。

最重要的是，作者獲得了一個高質(zhì)量的R. liliiflorumT2T基因組，該基因組由13條染色體組成，檢測到24個端粒和13個著絲粒（圖S1A，表S8-11）。其中11條染色體在端粒與端粒之間沒有間隙，另外2條染色體只有一個間隙。百合杜鵑花基因組的重疊群N50大于58.56MB，大于以往大多數(shù)杜鵑基因組的重疊群N50。采用BUSCO軟件對基因組完整性進行評估（96.65%），基因組一致性質(zhì)量值（QV）為43.71（表S1）。基因組LTR組裝指數(shù)（LAI）值為21.15（圖S1B），表明已達到最高質(zhì)量水平（LAI≥20）。

重復(fù)序列占4個基因組的49.10%以上，以長末端重復(fù)序列（LTRs）最多（圖1E，表S11）。在這四個基因組中，共預(yù)測到41406、41084、40556和83203個基因（表S12）。檢測到超過97.15%的BUSCO基因，說明預(yù)測的完整性較高（表S13）。NR、eggNOG、GO、KEGG、TrEMBL、KOG、Swissprot和Pfam數(shù)據(jù)庫對92.16%以上的基因進行了注釋（表S14）。共檢測到2355、4862、2852和9511個非編碼RNA（表S15）。

2.15個杜鵑屬植物泛基因組分析

杜鵑屬植物以其多樣的花朵展示而聞名，近年來，隨著第一個R. delavayi基因組的公布，一些基因組被解碼，引起了科學(xué)界的高度關(guān)注。報道了幾種杜鵑屬植物的基因組，如R. griersonianum、R. Henanense、R. Irroratum、R. kiyosumense、R. Ripense、R. Vialii、R. nivale和R. williamsianum。這些基因組為泛基因組研究奠定了基礎(chǔ)。基于這四個高質(zhì)量基因組以及11個先前發(fā)表的基因組，對杜鵑屬植物進行了泛基因組分析（圖1F，表S16）。選擇T2T水平的R. liliiflorum基因組作為參考。該泛基因組通過添加394.57?Mb和14424個基因，擴展了T2T水平的R. liliiflorum基因組。15個物種的基因家族數(shù)量為45731個，包括5734個核心基因家族、37027個可有可無的基因家族和2970個私有基因家族（圖1G、圖S2A、表S17）。利用打亂圖分析了15個物種間基因家族共享與唯一性的關(guān)系。最后，作者基于聚類分析構(gòu)建了基因家族存在與否的分布圖（圖1H）。在2970個私有基因家族中，R.irroratum（1705）的物種特異性基因最多（表S17，圖S2B）。功能富集分析表明，“倍半萜和三萜生物合成”和“亞油酸代謝”途徑顯著富集（圖S3）。共鑒定出121185個核心基因，R. ovatum基因組的數(shù)量最多（9847）（圖S2B）。功能富集分析表明，與花的顏色和香味相關(guān)的基因途徑顯著富集，如檸檬烯和蒎烯降解（圖S4）。

3.15個杜鵑屬植物基因組的變異分析

基于以T2T基因組為參考的泛基因組分析，作者對杜鵑花的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）、插入和缺失（InDels）以及結(jié)構(gòu)變異（SVs）等變異進行了全面鑒定（圖1I-L，圖S5）。四倍體R. concinnum具有最多的SNP（1876446）和InDels（447281）（圖1I，表S18-19）。功能富集分析表明，含有SNPs和InDels的基因在“碳代謝”和“氨基酸生物合成”途徑中顯著富集。R. concinnum的SV數(shù)量最多，達到7694（表S20）。同時，作者進一步將SVs細(xì)分為重復(fù)（DUP）、易位（TRANS）和反轉(zhuǎn)（INV），發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)杜鵑屬植物中，前者的數(shù)量超過后者（圖S6-7）。SVs基因與SNPs或InDels基因相比表現(xiàn)出明顯的模式，主要集中在RNA聚合酶和mRNA監(jiān)控途徑上。

4.15個杜鵑花基因組的LTR分析

該研究在15個杜鵑屬物種的全基因組中鑒定了70759個LTR，其中R. griersonianum基因組的LTR數(shù)量最多（7323）（表S21）。作者發(fā)現(xiàn)，在過去的一百萬年中，大多數(shù)杜鵑花物種只經(jīng)歷了一次插入事件的爆發(fā)，而R. delavayi、R. molle和R. williamsianum經(jīng)歷了兩次插入事件的爆發(fā)。兩個事件分別發(fā)生在1.53mya和2.94mya。作者對15個物種的LTR進行聚類，得到每個聚類中的共享LTR。結(jié)果表明，共有2622個LTR聚類，其中R. platypodum最多（531個）。R. liliiflorum中特異性LTRs數(shù)量最多（109個），而R. williamsianum中未發(fā)現(xiàn)物種特異性LTRs。聚類圖顯示，R.williamsianum與其他物種共享LTR的比例最高（圖1M）。此外，LTR在染色體中部的分布密度大于兩端（圖1N）。

5.15個杜鵑屬植物基因組的共線性分析

通過共線性分析，研究發(fā)現(xiàn)15個杜鵑基因組普遍表現(xiàn)出良好的共線性（圖1O）。共線性區(qū)組數(shù)從336個（R. henanense?vs?R. delavayi）到692個（R. irroratum?vs?R. prattii）。此外，還發(fā)現(xiàn)了一些基因組轉(zhuǎn)座現(xiàn)象，如R. ovatum7號染色體的末端區(qū)域與R. simsii和R. henanense。

圖 1. 4種杜鵑屬及11種已發(fā)表杜鵑屬植物的基因組分析 （A）四種杜鵑花的開花照片；（B）通過k-mer進行基因組調(diào)查。（C）流式細(xì)胞術(shù)檢測染色體核型；（D）基因組組裝的Hi-C接觸圖；（E）轉(zhuǎn)座子、SSR、基因密度和GC含量在染色體上的分布；（F）核心（紅色）和非核心（藍色）基因家族數(shù)量趨勢圖；（G）核心集群、可有可無集群和私有集群的家族數(shù)量；（H）核心、可有可無和私有集群的存在和缺失分析；（I）百合杜鵑花基因組中基因密度、SNP和InDel變異的分布情況；（J-L）以T2T基因組為參照，研究了端粒紅豆杉、鴨嘴獸和短柄紅豆杉基因組的同源性和重排；（M）兩個物種之間共享LTR的比例（Rconc:?R. concinnum; Rdeco:?R. decorum; Rdela:?R. delavayi; Rgrie:?R. griersonianum; Rhena:?R. henanense; Rirro:?R. irroratum; Rlili:?R. liliiflorum; Rmoll:?R. molle; Rovat:?R. ovatum; Rplat:?R. platypodum; Rprat:?R. prattii; Rripe:?R. ripense; Rsims:?R. simsii; Rvial:?R. vialii; Rwill:?R. williamsianum）；（N）LTR在染色體上的分布。x軸代表染色體位置的百分比，y軸代表LTR的插入時間；（O）15種杜鵑屬植物的基因組共線性。右邊的數(shù)字表示共線塊編號。

6.熱反應(yīng)基因的全轉(zhuǎn)錄組測序與檢測

為了探索杜鵑花的耐熱基因和調(diào)控機制，該研究在CK熱處理、3天熱處理（H3）和6天熱處理（H6）條件下進行了全轉(zhuǎn)錄組測序（圖2A，表S22）。共鑒定出50648個mRNAs、17476個lncRNAs、448個miRNAs和6299個circRNAs（圖2B）。此外，在CK、H3和H6處理中，632個mRNAs、21個lncRNAs和6個miRNAs的表達和共享存在差異（圖2C）。

7.候選基因的功能驗證

該研究選擇了兩對具有代表性的miRNAs和相關(guān)靶基因進行功能驗證。熱處理后3h和6h，靶基因表達顯著上調(diào)，小RNA表達顯著下調(diào)。作者進一步研究了miR177對RdbHLH153（Rhdel02G0118700）表達和miR49對RdMYB1R1（Rhdel08G0208700）表達的影響。將螢火蟲熒光素酶分別融合到RdbHLH153和RdMYB1R1的C端，并將miR49和miR177分別插入SK載體（圖2D）。結(jié)果顯示，RdbHLH153中的miR177和RdMYB1R1中的miR49的靶位點略有改變（圖2E）。用RdbHLH153/RdMYB1R1與空SK載體（混合并滲透）或RdbHLH153與miR177（RdMYB1R1和miR49）的混合物對煙草單葉滲透區(qū)進行滲透。均顯示熒光素酶信號的誘導(dǎo)，而R. delavayi中過表達的miR177和miR49可消除RdbHLH153/RdMYB1R1產(chǎn)生的信號（圖2E-G）。

為了進一步研究RdbHLH153和RdMYB1R1在熱脅迫中的作用，采用花浸法獲得了過表達RdbHLH153和RdMYB1R1的轉(zhuǎn)基因擬南芥株系（表S23）。36 h熱處理后，轉(zhuǎn)基因植株的生長明顯優(yōu)于WT（圖2H）。經(jīng)過熱處理后，幼苗恢復(fù)正常狀態(tài)5天，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株轉(zhuǎn)活，WT葉片全部變黃。說明RdbHLH153和RdMYB1R1在提高耐熱性中起重要作用。DAB和NBT染色顯示，與野生型植株相比，RdbHLH153/RdMYB1R1 OE株系中H2O2和O?2的含量顯著降低（圖2I）。

圖2. miRNA和靶基因的全轉(zhuǎn)錄組分析及功能驗證 （A）R. delavayi的對照（CK）和熱處理（H3和H6）；（B）mRNA、lncRNA、miRNA和circRNA的鑒定和差異表達分析；（C）三種比較中特異性和常見的差異表達RNA；（D）效應(yīng)器和報告器結(jié)構(gòu)圖；（E）miR49和miR177靶點突變示意圖；（F）熒光素酶測定統(tǒng)計。誤差條表示三個重復(fù)的SEs（*，p?< 0.05）。（G）熒光素酶成像分析；（H）RdbHLH153和RdMYB1R1的過表達增強了耐熱性。NS表示無熱應(yīng)激，HS-A表示36 h熱應(yīng)激，HS-R表示36 h熱處理后在常溫下恢復(fù)5天；（I）二氨基聯(lián)苯胺（DAB）和硝基藍四氮唑（NBT）染色法檢測轉(zhuǎn)基因株系和WT在無熱脅迫（NS）和熱脅迫（HS）下的H2O2和O?2。

內(nèi)容來源于iMeta

研究背景

葡萄（Vitis）在全球范圍種植廣泛，即可鮮食又可加工成葡萄酒等，具有很高的經(jīng)濟價值，是農(nóng)民致富、鄉(xiāng)村振興、人民美好生活中不可或缺的重要園藝作物。葡萄屬于葡萄科葡萄屬植物，該屬包括兩個亞屬，麝香葡萄亞屬(Muscadinia Planch)和真葡萄亞屬(Euvitis Planch），共計70余個種；根據(jù)地理分布可將其分為三大類群，歐亞種群、北美種群和東亞種群。

葡萄作為最古老的馴化作物之一（約公元前11,000年），漫長的持續(xù)馴化和多年的育種改良導(dǎo)致現(xiàn)代葡萄品種的遺傳多樣性縮小和抗性丟失，使其易受病蟲、逆境等各種不利條件的影響。近年北美葡萄泛基因組（Genome biology, 2023），歐洲葡萄泛基因組（Nature Genetics, 2024）的相繼報道，野生葡萄以其豐富的遺傳多樣性和超強的抗性基因再次受到關(guān)注，但以大群體染色體級基因組組裝為基礎(chǔ)，涵蓋主要品種，特別是包含東亞野生種葡萄的屬級泛基因組一直未見報道。因此構(gòu)建涵蓋整個葡萄屬的泛基因組將成為了解葡萄遺傳多樣性、開展功能基因組學(xué)研究、識別隱性遺傳特性以及葡萄精準(zhǔn)改良的關(guān)鍵資源。

材料方法及研究結(jié)果

該研究首先組裝了釀酒葡萄（Vitis vinifera）霞多麗的完整單倍型基因組，并首次基于ChIP-seq數(shù)據(jù)鑒定了葡萄著絲粒序列，解析著絲粒的衛(wèi)星重復(fù)序列結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)單倍型著絲粒之間的顯著差異，表明其快速進化。其次，該研究通過對591個葡萄材料的群體基因組分析，選取了72個代表性葡萄材料（包括25個野生種和47個栽培種）進行染色體水平的單倍型基因組組裝（圖1），基因組驗證表明這些單倍體基因組序列具有較高的質(zhì)量和完成度。

圖1-葡萄樣品全球地理分布及其果實和葉片形態(tài)

鑒于葡萄基因組因頻繁雜交而具有的高度雜合性，單倍型基因組不僅能精確解析雜合區(qū)域序列，而且對分析葡萄的育種歷史也至關(guān)重要。該研究構(gòu)建了單倍型系統(tǒng)發(fā)育進化樹，揭示了葡萄屬植物復(fù)雜的育種歷史和豐富的遺傳多樣性。結(jié)果顯示，北美和歐洲品種存在較多內(nèi)部雜交，而東亞品種的內(nèi)部雜交較少，跨大洲雜交事件有限（圖2）。特別是東亞葡萄極少被開發(fā)的遺傳多樣性，表明了其潛在的巨大育種價值。此次發(fā)布的東亞野生葡萄基因組為葡萄遺傳育種研究提供了強有力的資源支持。

圖2-144個單倍型基因組系統(tǒng)發(fā)育樹

該研究還分析了72份葡萄材料的泛基因組家族，發(fā)現(xiàn)了超過6.4萬個基因家族，包括不同數(shù)量的核心、可變和私有的基因家族。擬合曲線表明，該研究的泛基因家族數(shù)量趨向飽和，表明葡萄泛基因組接近閉合。研究還系統(tǒng)分析了葡萄屬免疫受體蛋白基因家族NLR，結(jié)合三大種群的葡萄和圓葉葡萄抗霜霉病數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，TIR-NBARC-LRR家族的NLR基因在抗病（野生葡萄）和感病葡萄（栽培葡萄）中存在顯著數(shù)量差異，因此有可能是葡萄抗霜霉病表型差異的重要因素之一。該超級泛基因組分析為研究葡萄屬的遺傳多樣性、進化歷史及功能基因挖掘提供了全面的基因組基礎(chǔ)（圖3）。

圖3-葡萄屬72份代表性材料超級泛基因組基因家族圖譜

其次，該研究進一步繪制了目前比較完整的葡萄基因組遺傳結(jié)構(gòu)變異（SV) 圖譜，助力挖掘與抗性及資源利用效率等重要性狀相關(guān)的功能基因（圖4）。該研究通過全基因組序列比對和變異檢測，在67個Euvitis葡萄樣本中鑒定出132,518個非冗余結(jié)構(gòu)變異。功能富集分析表明，這些SV與葡萄葉片形態(tài)、病原識別及生物刺激感知相關(guān)。通過與已知分子標(biāo)記的比較，該研究鑒定到霜霉病抗性分子標(biāo)記Rpv3相關(guān)SV事件，并發(fā)現(xiàn)三大種群中該SV位點的不同單倍型與葡萄霜霉病抗性有顯著關(guān)聯(lián)性，證明該SV是一個關(guān)鍵抗病分子標(biāo)記，突出了超級泛基因組圖譜的價值。

圖4-葡萄屬72份代表性材料結(jié)構(gòu)變異圖譜

最后，該研究使用葡萄結(jié)構(gòu)變異圖譜和基于霞多麗完整基因組序列，構(gòu)建了涵蓋歐、亞、美三大種群的圖形泛基因組。基于該圖形泛基因組，該研究對113個葡萄樣本的霜霉病抗性表型、氣孔表型以及霜霉病侵染轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行了基因組變異的eQTL分析（圖5），鑒定出63個SV-eQTL和1,808個SNP-eQTL與葡萄抗霜霉病顯著相關(guān)。在63個與霜霉病抗性密切相關(guān)的SV的輔助下，該研究定位到一個氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白基因VvLHT8。進一步的分子功能實驗發(fā)現(xiàn)VvLHT8可能通過負(fù)調(diào)控葡萄水楊酸合成和氣孔免疫反應(yīng)進而抑制葡萄抗病性，證實了高質(zhì)量泛基因組輔助的多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析在作物重要農(nóng)藝性狀分子標(biāo)記開發(fā)及功能基因挖掘中的高效性。該研究構(gòu)建的葡萄屬超級泛基因組不僅加深了對葡萄生物進化和育種改良的理解，也為精準(zhǔn)改良葡萄抗病性和多樣性提供了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

圖5-超級泛基因組圖譜輔助SV-eQTL鑒定及VvLHT8基因功能驗證

研究總結(jié)

該研究提供了比較全面的葡萄屬基因組資源，有助于全面解析葡萄基因組的復(fù)雜性和多樣性，從而高效發(fā)掘并利用葡萄特別是野生葡萄種中的優(yōu)異基因。該研究結(jié)合葡萄屬超級泛基因組、群體轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表型組學(xué)，對葡萄屬遺傳多樣性和重要農(nóng)藝性狀形成機制的深入探索，為未來培育超級葡萄提供了理論基礎(chǔ)和新的思路（圖6），標(biāo)志著葡萄基因組研究邁進新的階段，也必將加速推動我國葡萄種質(zhì)創(chuàng)新和葡萄產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

圖6-葡萄屬超級泛基因組構(gòu)建和應(yīng)用

以下小編列舉三篇成功案例，解析群體在QTL定位中的應(yīng)用。

當(dāng)我們針對一群體，關(guān)注性狀較多時，可參照案例一，整篇文章通過群體圖譜構(gòu)建，QTL定位后幾乎沒有驗證工作，可以幫我們拿到一個群體QTL的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

案例一

發(fā)表期刊：Plant Physiology and Biochemistry

影響因子：6.1

合作單位：江蘇省徐淮區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甘薯生物學(xué)與遺傳改良重點實驗室

實驗方法：Xin24×Yushu10雜交中選擇212個F1材料: 特異性位點擴增片段測序（SLAF-seq）；遺傳圖譜構(gòu)建；數(shù)量性狀位點（QTL）定位；GWAS關(guān)聯(lián)（F1群體）

表型檢測：多年多表型收集

百邁客生物為該研究提供了群體測序及部分?jǐn)?shù)據(jù)分析服務(wù)。

甘薯作為一個全球重要的作物，其含有豐富的營養(yǎng)成分以及對不同環(huán)境的適應(yīng)能力。然而，由于其自交不親和，高雜合度等特性，使其遺傳特征的研究相對較少。作者從Xin24×Yushu10雜交中選擇212個F1材料，SLAF-seq測序，獲得親本26.73×，子代52.25×的測序數(shù)據(jù)，依據(jù)SNP及百邁客生物自主研發(fā)的HighMap構(gòu)圖軟件，生成一個長度為2441.56 cM、平均圖距為0.51 cM的遺傳圖譜。

基于連鎖圖譜，鑒定出26個QTL，解釋了6.3-10%的表型變異，包括6個最長藤蔓長度 QTL、6個單株產(chǎn)量 QTL、10個干物質(zhì)含量QTL、1個淀粉含量 QTL、一個可溶性糖含量QTL和2個類胡蘿卜素含量QTL。該研究結(jié)果對甘薯的標(biāo)記輔助育種和基因克隆具有重要意義。

圖1-表型檢測

圖2-遺傳圖譜構(gòu)建

圖3-QTL定位

前文是對多個性狀的連鎖分析，當(dāng)我們關(guān)注單個性狀時，BSA無疑是高性價比的初定位選擇，當(dāng)然，這就意味著我們得做到基因的精細(xì)定位與克隆，除去傳統(tǒng)圖位克隆的方式，轉(zhuǎn)錄組，蛋白組，自然群體GWAS，基因組都可助力基因克隆，如果想發(fā)高水平的文章，基因的功能探索也是必不可少的。

成功案例二

發(fā)表期刊：Plant Biotechnology Journal

影響因子：10.1

發(fā)表單位：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)

實驗方法：莢果大小/重量差異顯著2份Virginia-type花生材料( ND _ L和ND _ S)雜交，產(chǎn)生遺傳群體；F2:3群體BSA-seq（20+20混池）；F6:7 和F6:8群體精細(xì)定位；基因克隆；系統(tǒng)進化分析；亞細(xì)胞定位；免疫熒光；酵母雙雜交；pull-down；CO-IP；番茄擬南芥轉(zhuǎn)化實驗等。

百邁客生物為該研究提供了群體測序及部分?jǐn)?shù)據(jù)分析服務(wù)。

花生莢果大小是決定花生產(chǎn)量的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀，為了鑒定控制花生莢果大小的基因，該研究對188份核心種質(zhì)進行鑒定，并選取莢果大小/重量差異顯著的2份花生材料構(gòu)建F2群體，BSA-Seq獲得了288.58 Gb的原始數(shù)據(jù)。利用285914個高質(zhì)量SNPs 和70 759個 InDel，將控制莢果大小的基因定位在07染色體1.17 Mb的區(qū)間內(nèi)。作者從F6：7和F6：8群體中開發(fā)了15個多態(tài)性標(biāo)記并對個體進行基因分型，精細(xì)定位QTL到KASP 9 和In Del15之間20.4 kb的區(qū)間內(nèi)。該區(qū)間僅包含1個預(yù)測的非同義突變基因和InDels，將該基因命名為PSW1。

PSW1編碼一個LRR – RLK蛋白激酶，等位基因PSW1HapII賦予了PSW1更高的表達水平和對其輔助受體AhBAK1更強的親和力，以上調(diào)PSW1 – based途徑，調(diào)節(jié)花生莢果大小。此外，PSW1HapII的過表達增加了多種植物的種子/果實大小。

圖4-表型檢測

圖5-BSA分析

當(dāng)然，如果想讓我們的文章影響因子再上一臺階，兼顧群體的“廣度”和“深度”，是更好的選擇。

成功案例三

發(fā)表期刊：Nature?Genetics

影響因子：30.8

發(fā)表單位：浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等

實驗方法：菜用豇豆G98，糧用豇豆G323 基因組Denovo；重測序GWAS：344份全世界收集的豇豆核心種質(zhì)，其中包括342份栽培豇豆（87份糧用豇豆、244份菜用豇豆和11份未知用途豇豆）和2份野生豇豆；Illumina測序，10x深度；基因單倍型驗證：菜用豇豆地方品種 ‘ZN016’ 和菜用豇豆育成品種‘Zhijiang282構(gòu)建的RIL群體（183 lines）G98和G323構(gòu)建的F2群體（165 individuals）

百邁客生物為該研究提供了群體測序、基因組測序及部分?jǐn)?shù)據(jù)分析服務(wù)。

豇豆起源于非洲，在世界范圍內(nèi)作為糧食、蔬菜或牲畜飼料種植。該研究結(jié)合PacBio、Hi-C和二代測序，組裝了糧用豇豆和菜用豇豆的染色體水平基因組。對包括地方品種、野生品種和育成品種的344個材料進行二代測序，以闡明豇豆基因組的系統(tǒng)進化。

為了研究自然或人工選擇對豇豆分化的影響，作者通過選擇清除分析比較了三個豇豆亞群之間的基因組選擇特征，鑒定出239個與豇豆馴化和改良相關(guān)的基因。此外，通過GWAS，挖掘到裂莢性、莢長、單莢粒數(shù)、千粒重、可溶性糖、總淀粉和粗蛋白質(zhì)含量相關(guān)基因，并在遺傳群體中驗證。同時揭示了兩個亞種之間基因組結(jié)構(gòu)變異（SVs）的全圖譜，為豇豆在全基因組選擇下的馴化與改良提供了見解。產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀的差異基因組選擇將有助于建立糧用豇豆和菜用豇豆雙向改良的遺傳資源。

圖6-群體選擇與GWAS分析

今日分享結(jié)束，期待下期精彩內(nèi)容~~~

文章標(biāo)題：Chromosome-level genome assemblies of two littorinid marine snails indicate genetic basis of intertidal adaptation and ancient karyotype evolved from bilaterian ancestors

合作單位：中國科學(xué)院海洋研究所

發(fā)表期刊：GigaScience

影響因子：11.8

研究對象：短濱螺和中華濱螺

百邁客生物為該研究提供了基因組測序服務(wù)。

濱螺棲息于巖相潮間帶，受到海洋和陸地環(huán)境的雙重影響，需要根據(jù)潮水漲落的節(jié)律適應(yīng)水生和陸生兩種完全不同的生境，其廣布性、高豐度和對于環(huán)境因子脅迫多樣且高變動的潮間帶環(huán)境良好的適應(yīng)性，使其成為研究環(huán)境適應(yīng)、生物進化和物種形成的潛在模式生物，也是探究生物對于環(huán)境壓力變化快速響應(yīng)機制的優(yōu)良范本，相關(guān)的生物學(xué)、分類學(xué)、系統(tǒng)發(fā)育學(xué)和生態(tài)學(xué)研究已經(jīng)大量開展。此外，細(xì)胞遺傳學(xué)研究結(jié)果顯示，濱螺具有17條染色體，與兩側(cè)對稱動物的祖先染色體（ALG）數(shù)目一致，因此推演二者之間的核型演化歷程具有重要的進化生物學(xué)意義。然而由于基因組測序和組裝技術(shù)的限制，目前濱螺科基因組資源十分匱乏，極大地阻礙了相關(guān)研究的順利開展。

該研究基于三代長讀長測序、二代測序和Hi-C測序數(shù)據(jù)，構(gòu)建了短濱螺和中華濱螺染色體水平基因組參考序列，并完成了基因結(jié)構(gòu)和功能注釋。組裝得到兩種濱螺基因組大小在900Mb左右，contig N50為3.43Mb和2.31Mb，并成功掛載到17條染色體上，BUSCO評估得分均在93%以上。兩個濱螺高質(zhì)量基因組參考序列作為重要的基因組資源，對于濱螺科及軟體動物門系統(tǒng)發(fā)育、進化基因組學(xué)和生態(tài)學(xué)等研究都具有十分重要的意義。

通過比較基因組學(xué)分析構(gòu)建了包括兩種濱螺在內(nèi)的11個物種的系統(tǒng)發(fā)育樹，并估算兩種濱螺的分化時間大約在128.22Mya前。進一步的研究結(jié)果表明與刺激反應(yīng)、代謝過程、先天免疫和抗氧化反應(yīng)相關(guān)的基因或基因家族可能在濱螺應(yīng)對潮間帶多種環(huán)境因子脅迫的過程中發(fā)揮著重要作用，受損核酸和蛋白的修復(fù)或降解可能是濱螺在多重壓力下抵抗細(xì)胞凋亡、維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的主要方式。相關(guān)研究結(jié)果為潮間帶無脊椎動物適應(yīng)性進化分子機制的后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)。

圖1-11個物種系統(tǒng)發(fā)育樹

宏觀共線性分析結(jié)果表明濱螺17條染色體可能由17條ALG經(jīng)過4次染色體分裂和4次染色體融合演化而來，并推演了由ALG演化到雙殼-腹足共同祖先再到濱螺和扇貝的簡約演化歷程，表明兩側(cè)對稱動物祖先的基因連鎖群在經(jīng)過上億年的演化之后在現(xiàn)存物種中仍然得以保留，為未來雙殼-腹足共同祖先核型的構(gòu)建和核型進化速率影響因素的研究提供了參考。

圖2-短濱螺、中華濱螺和蝦夷扇貝兩兩間宏觀共線性散點圖

圖3-簡約核型演化歷程推演及濱螺和扇貝共同祖先（MRCA of PY &Ls）核型構(gòu)建

內(nèi)容來源于中國科學(xué)院海洋研究所

文章通過構(gòu)建本氏煙草端粒到端粒無缺口基因組，對本氏煙草進行了亞基因組分型，進一步確定林煙草（N. sylvestris）和漸狹葉煙草（N. attenuata）最可能是其二倍體祖先物種。研究還深入解析了異源四倍體本氏煙草的著絲粒序列及其表觀特征，豐富了我們對本氏煙草基因組進化和著絲粒演化過程的認(rèn)識。

文章標(biāo)題：The complete genome assembly of?Nicotiana benthamiana?reveals the genetic and epigenetic landscape of centromeres

合作單位：北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院

發(fā)表期刊：Nature Plants

研究對象：本氏煙草

百邁客生物為該研究提供了PacBio HiFi、Hi-C、Illumina和RNA-seq測序服務(wù)。

研究背景

本氏煙草（Nicotiana benthamiana）是一年生茄科煙草屬植物，原產(chǎn)于澳大利亞北部地區(qū)，和用于制作香煙的普通煙草（N. tabaccum）是近緣物種。本氏煙草最為人知的是作為植物學(xué)和合成生物學(xué)研究的模式植物。本氏煙草憑借其對病毒的易感性和在瞬時基因表達的便利性成為了植物科學(xué)家的“寵兒”，同時它也是植物天然產(chǎn)物和疫苗異源合成的重要底盤生物。因此，解析本氏煙草的基因組密碼對促進植物科學(xué)研究和生物制藥產(chǎn)業(yè)具有重要的價值。本氏煙草是異源四倍體，由兩個二倍體祖先在距今500萬年-600萬年雜交形成，之后基因組演化形成現(xiàn)今的19對染色體。本氏煙草基因組約為2.85Gb，其草圖最早發(fā)表于2012年，之后的12年間多個改進版本的本氏煙草基因組陸續(xù)公布，組裝質(zhì)量有了很大提升，但仍然存在多個缺口與組裝注釋錯誤，嚴(yán)重影響了對這一模式生物的功能基因組學(xué)的研究進程。

著絲粒是負(fù)責(zé)細(xì)胞分裂過程中染色體平均分配給子細(xì)胞的基因組關(guān)鍵區(qū)域，也被稱為基因組的暗物質(zhì)區(qū)域。因其高度復(fù)雜并富含重復(fù)序列，著絲粒的序列很難被測序和破譯。近年來隨著測序技術(shù)和生物信息算法的快速發(fā)展，包括人類、擬南芥、酵母在內(nèi)的多個模式生物以及玉米、水稻、辣椒、生菜等作物的著絲粒特征逐漸被揭示。這豐富了我們對這些基因組暗物質(zhì)的認(rèn)知，為疾病研究和治療、作物單倍體育種、人工染色體合成等前沿科學(xué)提供理論指導(dǎo)。然而，我們對生物界著絲粒的結(jié)構(gòu)和進化理解仍然處在初期，絕大多數(shù)生物的著絲粒區(qū)域仍未解析。此外，多倍體生物例如四倍體本氏煙草、四倍體馬鈴薯、六倍體小麥等，基因組經(jīng)歷了復(fù)制、重排和結(jié)構(gòu)變異等事件，在此過程中著絲粒如何演化和維持功能也有待闡明。異源四倍體的本氏煙草為這些問題的解答提供了一個理想的模型。

研究結(jié)果

研究團隊首先采用單分子測序技術(shù)（HiFi，116.7x?+ ONT ultra-long，47.9x），Hi-C（150x）和Bionano（329.6x）光學(xué)圖譜等多種技術(shù)相結(jié)合策略，構(gòu)建了T2T無缺口的本氏煙草基因組（2.85 Gb），實現(xiàn)所有染色體的完整分型組裝（圖1），并鑒定到所有19個著絲粒和38個端粒，contig N50值達到146.4 Mb。隨后的質(zhì)量評估表明該基因組具有很高的堿基準(zhǔn)確性和組裝完整性。

圖1-本氏煙草T2T基因組全局特征、多倍體進化歷史和著絲粒演化進程

研究團隊還進一步基于著絲粒特異結(jié)合蛋白CENH3的ChIP-seq數(shù)據(jù)，確定了本氏煙草基因組的完整著絲粒序列，并揭示了其著絲粒全景特征。令人驚訝的是，與辣椒和馬鈴薯等茄科作物的著絲粒（以LTR/Gypsy反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子為主）不同，本氏煙草著絲粒不僅有Gypsy序列，而且存在大量的衛(wèi)星（Satellite）DNA的重復(fù)陣列，暗示這些著絲粒特異的衛(wèi)星重復(fù)序列是在本氏煙草中新出現(xiàn)的（圖2）。經(jīng)過仔細(xì)分析，研究團隊證明了本氏煙草著絲粒衛(wèi)星陣列可能起源于核糖體DNA的基因間間隔序列。

此外，在著絲粒組蛋白CENH3優(yōu)先占據(jù)的區(qū)域，Gypsy反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和核基因組線粒體插入序列（NUMT）廣泛侵入本氏煙草著絲粒，表明這些DNA元件在著絲粒功能中起著至關(guān)重要的作用。有趣的是，NUMT在本氏煙草著絲粒中的插入具有很強的亞基因組偏好性，并且主要與母體著絲粒周圍有關(guān)。亞基因組分析表明，衛(wèi)星陣列的出現(xiàn)可能推動了多倍體后著絲粒的形成（圖2）。

最后，該研究提出一個模型來解釋本氏煙草著絲粒的進化，即本氏煙草基因組在多倍化后通過新著絲粒形成、衛(wèi)星序列擴展、反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的富集和NUMT整合而實現(xiàn)著絲粒進化（圖1），豐富了我們對于茄科植物和多倍體植物著絲粒演化的認(rèn)知。

圖2-本氏煙草著絲粒衛(wèi)星重復(fù)序列推動新著絲粒的形成和進化

研究總結(jié)

該研究公布了模式植物本氏煙草的T2T無缺口基因組，并揭示了其著絲粒的全景結(jié)構(gòu)及其表觀遺傳特征，該研究成果具有里程碑意義。本氏煙草完整基因組的破譯不但為植物科學(xué)研究提供了重要的遺傳資源，也將促進本氏煙草作為模式和底盤植物在生物技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

內(nèi)容來源于北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院，侵刪

發(fā)表期刊：Poultry Science

影響因子：3.8

發(fā)表單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，西藏農(nóng)牧學(xué)院等

研究對象：金陵白鴨

研究方法：全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）

百邁客生物為該研究提供了全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）測序及部分?jǐn)?shù)據(jù)分析服務(wù)。

研究背景

鴨子為人類消費提供肉、蛋、羽毛等產(chǎn)品，中國是世界上最大的鴨肉消費國。金陵白鴨做為我國優(yōu)質(zhì)的選育品種，具有優(yōu)良的生長速度和肉質(zhì)品質(zhì)。從孵化到上市的整個時期，鴨子的體重逐漸增加，這一過程由復(fù)雜的生理和生化機制調(diào)控，器官和骨骼的發(fā)育是體重增加的關(guān)鍵因素，全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）是許多牲畜和家禽物種研究生長和發(fā)育的遺傳機制的常用方法，然而，現(xiàn)有的一些關(guān)于鴨生長發(fā)育性狀的GWAS研究測序深度較低，發(fā)現(xiàn)的候選基因很少。

材料方法

201只雄鴨全基因組測序深度為10×；

GWAS分析：表型：出生體重（BWB）、1周體重（BW1）、3周體重（BW3）、5周體重（BW5）和7周體重（BW7）分析模型：FaST-LMM；EMMAX；LMM；LM 閾值線：log10(p)=5如果一個SNP在2個或更多的模型中被關(guān)聯(lián)，作者認(rèn)為它是一個與特定性狀相關(guān)的高可信度SNP。

進化分析：進化樹構(gòu)建；群體結(jié)構(gòu)分析；PCA分析；LD衰減分析等

研究結(jié)果

1.金陵白鴨群體體重表型統(tǒng)計

該研究對金陵白鴨（n = 201）在不同時期的體重進行統(tǒng)計，BWB、BW1、BW3、BW5和BW7的體重均值分別為46.93g、127.19g、697.17g、1182.43g和1,888.52g。生長曲線結(jié)果顯示：金陵白鴨第3周-第5周生長最快，第5周后生長放緩。體重的分散度隨著年齡和體重的增加而增加。相鄰2周的體重之間存在較強的相關(guān)性，BW3與BW1（r = 0.6）、BW5（r = 0.68）和BW7（r = 0.6）顯著正相關(guān)，BW5與BW7顯著正相關(guān)（r = 0.82）。但隨著時間間隔的延長，性狀間的相關(guān)性降低，BW1與BW7的相關(guān)性不顯著（r = 0.21），BWB則與BW3 (r = 0.18)， BW5 (r = 0.058)，BW7 (r = 0.45)均不顯著相關(guān)。

圖1-表型分析

2.金陵白鴨系統(tǒng)發(fā)育、群體遺傳結(jié)構(gòu)解析

雖然該研究只有金陵白鴨一個種群，但考慮到繁殖過程中種群分層的潛力，作者進行了系統(tǒng)發(fā)育和群體結(jié)構(gòu)分析。系統(tǒng)發(fā)育樹和PCA結(jié)果顯示，金陵白鴨可分為5個種群，群體結(jié)構(gòu)表明，當(dāng)K=6時分群結(jié)果最佳，金陵白鴨種群具有豐富的遺傳多樣性，總SNPs的平均R2為0.24，當(dāng)R2=0.2，LD的衰減距離約為30kbp。

圖2-群體進化分析

3.GWAS分析

該研究對基于測序產(chǎn)生的2,610.50 Gbp的clean data進行分析，Q30為95.55%，樣本與參考基因組平均比對率為99.59%，平均覆蓋深度為10×，基因組覆蓋度為96.51%。作者利用，797,309,337個SNPs，4種關(guān)聯(lián)模型進行后續(xù)GWAS分析，其中95個SNP與BWB性狀顯著相關(guān)，這些SNP主要分布在1號染色體和4號染色體上。通過篩選和注釋，共檢測到5個相關(guān)的候選基因：PUS7、FBXO11、FOXN2、MSH6、SLC4A4。針對BW1性狀，作者發(fā)現(xiàn)了101個與BW1性狀顯著相關(guān)的SNPs，這些SNP主要分布在7號染色體上，共檢測到2個與BW1性狀相關(guān)的候選基因：RAG2和TMEFF2。針對BW3性狀，作者發(fā)現(xiàn)了112個顯著SNPs。這些SNP主要分布在1號染色體和11號染色體上。通過篩選和注釋，共檢測到4個與BW3性狀相關(guān)的候選基因：?STARD13、Klotho、ZAR1L和TLE3。同時確定了92個與BW5性狀相關(guān)SNPs，這些SNP主要分布在1號染色體和2號染色體上，通過注釋STARD13、Klotho和ZAR1L與BW5性狀相關(guān)。此外，作者還鑒定了新的候選基因：KAT2B、KCNH8和SATB1。

BW7性狀與33個SNP關(guān)聯(lián)，這些SNP主要分布在1號染色體和2號染色體上。通過篩選和注釋，共檢測到6個與BW7性狀相關(guān)的候選基因：PLXNC1、ATP1A1、CD58、FRYL、OCIAD1和OCIAD2。在分析的四個模型的結(jié)果，LM識別出了更多的顯著位點，曼哈頓圖顯示出更高的峰值。然而，QQ-plot顯示，LM模型中的大部分站點都位于對角線上方，可能具有較高的假陽性。其余3個模型的結(jié)果均表現(xiàn)出一致性，而QQ-plot的結(jié)果則優(yōu)于LM模型。

圖3-GWAS分析

研究總結(jié)

金陵白鴨是一種新開發(fā)的品種，因其生長速度快，肉質(zhì)優(yōu)良的特點，使其具有重要的經(jīng)濟價值和研究潛力；然而，人們對其體重性狀的遺傳基礎(chǔ)尚不太清楚。該研究對201只金陵白公鴨進行了全基因組重測序，并進行了群體基因組分析，表明金陵白鴨種群具有豐富的遺傳多樣性。

作者對出生體重（BWB）、1周體重（BW1）、3周體重（BW3）、5周體重（BW5）和7周體重（BW7）進行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，4種統(tǒng)計模型比較研究表明，F(xiàn)aST-LMM表現(xiàn)出最優(yōu)的效率，產(chǎn)生更多的結(jié)果和最小的假陽性。

作者發(fā)現(xiàn)，PUS7、FBXO11、FOXN2、MSH6和SLC4A4均與BWB相關(guān)。RAG2和TMEFF2是BW1的候選基因，STARD13、Klotho、ZAR1L可能是BW3和BW5的候選基因。PLXNC1、ATP1A1、CD58、FRYL、OCIAD1和OCIAD2與BW7相關(guān)。這些研究結(jié)果為金陵白鴨的選擇和育種提供了遺傳參考，同時也加深研究者們對白鴨生長發(fā)育表型的認(rèn)識。