近期,正值酷暑难耐的火热天气,但菲沙的基因组项目文章却捷报频传,为炙热的空气带来“阵阵凉意”。为使科研人员能及时了解最新的研究进展与研究思路,小编特对上述项目文章进行详细汇总。
表1 菲沙近期基因组项目文章集锦
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四倍体乌桕基因组
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中国乌桕树(Triadica sebifera)的种子可以产生高含量的不饱和脂肪酸油,并且其在秋冬季节显示出诱人的红色。此研究中,研究者组装的乌桕树基因组大小为739Mb,并确定了其基因组为四倍体。比较基因组分析发现,许多与营养同化、能量利用、次级代谢产物生物合成和显著扩张的抗性相关基因是乌桕特有的,这是其环境适应性的基础。在乌桕中,其基因组中,脂肪酸生物合成的基因更多,特别是不饱和脂肪酸的生物合成,这些基因在种子中的高表达将归因于其高含量的不饱和脂肪酸类。花青素3-O-葡萄糖苷是红叶中花青素的主要成分,花青素生物合成中的所有结构基因在红叶中的表达显著高于绿叶。此外,研究者发现7个MYB和1个bHLH转录因子可调控花青素生物合成基因的表达。总之,此研究为乌桕不饱和脂肪酸和花青素的生物合成研究提供了新见解。
此研究第一作者为华中农大罗杰,浙江省林科院李因刚博士、华中农大汪念副教授为此研究的通讯作者,武汉市园林研究员聂超仁、李娜以及浙江省林科院沈鑫等也是此研究的作者之一。
图1 乌桕的基因组特征
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水稻-孟加拉国X455、金刚30等
品种基因组
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水稻细菌性条斑病是由稻黄单胞菌 (Xanthomonas oryzae) 致病变种Xanthomonas oryzae pv. oryzicola (Xoc) 引发的一种破坏性极大的细菌性病害。利用宿主抗性基因是控制该病的有效途径。为了鉴定与定位参与Xoc抗性的基因,研究者对孟加拉国X455(抗水稻细菌性条斑病)、金刚30杂交后代F2进行了BSA和基因芯片分析,将明显的抗性基因Xo2定位在2号染色体上10 Mb至12.5 Mb的区域。X455和金刚30的从头测序和基因注释显示目标区域内有19个预测基因。RNA序列和表达分析表明,四个候选基因,包括编码NLR抗性蛋白的Osa002T0115800,明显上调。X455和金刚30之间的差异序列和共线性分析表明,Osa002T0115800可能是功能性Xo2基因。总之,本研究为水稻细菌性条斑病的分子标记辅助选择、抗性育种和Xo2的进一步克隆奠定了基础。
图2 X455和JG30之间Xo2基因区域的候选等位基因共线性分析
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洋桔梗基因组
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洋桔梗又名草原龙胆,是龙胆科中少有的花卉植物,有“无刺玫瑰”的美誉,也是研究花色合成和花形态发育遗传机制的良好模型。基于洋桔梗高质量基因组,研究表明洋桔梗在进化过程中发生了全基因组三倍化事件,导致黄酮/花青素合成、器官/花发育相关转录因子以及结构基因的大量扩张,这可能影响了洋桔梗在进化过程中花色和花型的形成。研究利用多种色系洋桔梗的转录组数据,系统研究了洋桔梗花色多样化的分子机制,构建了洋桔梗花色调控模型,鉴定了香槟色系、粉红色系、蓝紫色系、茶色系和绿色系调控的关键候选基因,包括多个MYB转录因子、花青素合成相关结构基因以及叶绿素合成相关结构基因。此外,研究构建了洋桔梗的花发育模型,并鉴定AGL1a是调控洋桔梗重瓣性状形成的关键候选基因。
图3 多组学揭示洋桔梗花色多样性的分子机制
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列当科基因组
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列当科(Orobanchaceae,Lamiales)是目前已知的唯一包含了自养、兼性半寄生、专性半寄生和全寄生植物的科,是研究植物寄生习性演化过程的最佳类群。通过构建列当科高质量参考基因及比较基因组分析发现,列当科共经历两次WGD事件,一次是7348万年前的βL事件,对吸器起源起到重要作用;一次是3264万年前的αB事件,这是寄生植物分化后独立出现的基因组加倍。重塑祖先核型的18条染色体,发现钟萼草和向日葵列当与祖先的原染色体表现出良好的共线性,而埃及列当的8条染色体至少经历了11次的融合事件。此外,扩张的基因参与了吸器的进化,收缩的基因主要与寄生形态相关。综上,此研究支持了寄生习性三段式的演化过程,即首先获得吸器,与寄主建立物理连接;逐渐依赖寄主,开始丢失不必要的功能基因;最终再获得新基因使其更加生理上特化和提高对寄主的依赖性。
图4 列当科基因组的进化
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石菖蒲基因组
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菖蒲目(Acorales)是单子叶植物中现存的最早分支,与其他所有单子叶植物互为姐妹类群,是研究早期单子叶植物的理想材料。通过构建石菖蒲高质量参考基因组及比较分析,研究者发现石菖蒲存在明显的亚基因组优势。石菖蒲共线性区域数量多、衰减慢,氨基酸序列替换率也最为缓慢,说明其具有最保守的基因组结构,这和表观遗传调控、基因表达、基因长度和外显子数等都有关系。研究者进一步重构了单子叶植物祖先核型,发现单子叶祖先AMK(2n=12)通过谱系特异性WGD形成了石菖蒲基因组,以达到2n=24染色体中间体,然后通过12次融合达到12条现代染色体。此外,一系列的重要基因家族演化事件促进了早期单子叶植物对水生生活的适应性。总之,此研究为单子叶植物的起源和多样性研究提供了新见解。
图5 石菖蒲的基因组特征
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金银莲花基因组
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金银莲花(Nymphoides indica)是一种水生植物,同时也是入侵物种,在北美和其他地方造成了生态和经济破坏。此研究中,研究者构建了高质量的金银莲花基因组,其基因组大小为520Mb,挂载到了9条染色体上;金银莲花基因组一半以上由转座因子组成,基因周围较高密度的转座因子可能通过调节附近的基因来应对不断变化的环境。比较基因组学分析发现,金银莲花只经历了全基因组三倍化事件;金银莲花扩增的基因家族主要富集在与缺氧反应和植物-病原体相互作用相关的通路中,这增加了金银莲花对生态环境的适应性。此外,研究者还鉴定了160个与防御反应相关的基因家族。
图6 金银莲花的基因组特征
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红九棘鲈基因组
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红九棘鲈(Cephalopholis sonnerati)一种生活在海底的珊瑚礁鱼,广泛分布于印度-太平洋和红海,具有复杂的社会结构和行为机制。此研究中,研究者构建了高质量的红九棘鲈基因组,其基因组大小为1043.66Mb,contig N50=2.49Mb,并挂载到24条染色体上。通过注释,获得21630个蛋白编码基因。比较基因组分析表明,扩展的基因家族在感觉系统中高度富集。最后,研究者发现了8108个组织特异性表达基因,主要大脑中高度富集。总之,本研究为红九棘鲈的遗传保护、抗性育种和进化研究提供了新见解。
图7 红九棘鲈的系统进化分析
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盐地碱蓬基因组
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盐地碱蓬(Suaeda salsa)是黄河三角洲重要的盐生植物,其表型有红色和绿色之分。通过多组学测序,研究者构建了高质量的盐地碱蓬基因组。比较基因组学分析发现,盐地碱蓬经历了一次WGD事件,其与近缘种在16.9个百万年前产生分化。两种显著上调的倍他青苷(鸡冠花黄素II和苋菜素)可能是表现红色的主要原因。此外,研究者还对这两种表型进行了转录组学和代谢组学研究,以探索色素合成的分子机制,并在盐藻中筛选了一系列与β-环素产生有关的结构基因和转录因子。总之,本研究为盐地碱蓬不同颜色表型的调控研究提供了新见解。
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水稻T2T基因组
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湘陵628S(XL628S)、隆科638S(LK638S)、晶4155S(J4155S)是两系不育系,华占(HZ)是两系和三系骨干恢复系,与另一个恢复系五山丝苗(WSSM,R534)属于同一家系。通过HiFi和Ultra-long测序结合的组装策略,完成了湘陵628S、晶4155S、隆科638S与华占4个杂交水稻骨干亲本无缺口参考基因组组装,结合其余六个已发表的杂交水稻亲本基因组,系统分析了结构变异在杂交育种过程中的分布和影响,发现结构变异在F1功能基因及转录杂种优势起着重要作用。
图8 4个水稻T2T基因组
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核桃楸基因组
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核桃楸(Juglans mandshurica Maxim.)胡桃科(核桃和山核桃)中具有多种工业用途和药用特性的树种。此研究中,研究者构建了高质量的核桃楸参考基因组,其基因组大小为548.7Mb,contig N50=21.4Mb。结合高质量的基因组、转录组和代谢组学数据,研究者构建了一个基因-代谢物网络,并鉴定了566个可能参与胡桃素生物合成的核心和保守差异表达的基因。发现5个CYP450基因可能有助于胡桃醌的积累。NAC、bZip、NF-YA和NF-YC与胡桃醌含量呈正相关。一些参与脂质生物合成调节的候选调节因子(如FUS3、ABI3、LEC2和WRI1转录因子)也被确定。总之,本研究为胡桃素生物合成研究提供新见解。
图9 核桃楸基因组特征
总 结
作为三代测序的领跑者,基于HiFi+Hi-C策略,菲沙累计完成1000+样本的测序,300+动植物基因组的组装,在复杂基因组、T2T基因组、泛基因组等方面积累了丰富的项目经验。菲沙累计参与发表基因组文章100多篇,包括多篇Nature、Cell、Nature Plants、Molecular Plant等,总影响因子达1000+。选择菲沙,我们将助您永攀科研高峰!