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图1  文章发表信息

恩施碎米荠（Cardamine enshiensis）隶属于十字花科碎米荠属，其具有极强的硒富集和硒耐受性，属于硒超富集植物。恩施碎米荠目前已被开发为食品和保健品，具有显著的营养价值和经济价值。基于此，通过构建恩施碎米荠的高质量参考基因组，并结合多组学分析阐述其硒富集和硒耐受的分子机制，对于恩施碎米荠的进一步开发利用具有重要推动作用。

材料：恩施碎米荠（Cardamine enshiensis）

组装测序策略：PacBio+Hi-C+Illumina

多组学分析：基因组+转录组+代谢组＋Hi-C+ChIP-seq+甲基化

硒胁迫：400 µM硒处理24h; 硒富集: 400 µM硒处理2周

通过PacBio和Hi-C测序，研究者构建的恩施碎米荠基因组大小为443.46Mb（Contig N50=1.23Mb）,并将86.6%的序列锚定到16条染色上，BUSCO评估基因组完整性为97.7%。通过注释，共预测得到52725个蛋白编码基因，平均长度为2.1Kb，重复序列占比为61.4%（其中48.5%是长末端重复反转座子）。

比较基因组分析表明恩施碎米荠与碎米荠（Cardamine hirsuta）在6.5个百万年前产生分化，且恩施碎米荠与碎米荠基因组存在明显的2:1共线性关系，这证实了恩施碎米荠为四倍体。

图2  恩施碎米荠的基因组特征

研究者设置了对照组和硒处理组，随后对两种类型的恩施碎米荠进行了基因组、转录组、甲基化、ChIP-seq和Hi-C测序，并从Compartment、TAD、FIREs（局部染色质相互作用热点区域）三个层面分析了硒对恩施碎米荠三维空间结构的影响。

在Compartment分析中，研究者使用C-score鉴定到明显的A compartment和B compartment，硒处理重塑了恩施碎米荠2、6、8、9、10号染色体上的A、B compartment;进一步以100Kb分辨率，在对照组和硒处理组的染色质上鉴定到755个compartment差异区域，这些差异compartment上的基因显著富集在与乙醛酸和二羧酸代谢、硒化合物代谢相关的通路中。

在TAD分析中，研究者以40Kb分辨率在对照组鉴定到537和543个TADs边界，在硒处理组鉴定到521和527个TADs边界，与TAD内部区域相比，TAD边界具有更高的基因密度和更高的甲基化水平。此外，TAD边界上的基因显著富集在与细胞对硒、硒结合和类黄酮生物合成相关的通路中。在FIREs分析中，研究者以10Kb分辨率鉴定到1184个显著的FIREs，但这些区域与其它区域的基因密度分布和GC含量无显著差异。

总的来说，这些结果表明硒耐受性和代谢在染色质水平上有相关性。

图3  对照组和硒处理组的恩施碎米荠Hi-C多组学分析

研究者通过对恩施碎米荠进行不同时长的硒处理来进行其硒耐受和硒富集机制的研究。其中，在硒耐受机制方面，研究者通过转录组鉴定到29671个差异表达基因，127种不同的代谢产物，特别是10种与黄酮相关的代谢产物发生了改变，证实了黄酮在恩施碎米荠硒耐受性中起着关键作用，最后关联分析找到了部分与黄酮代谢高度相关的转录本。

图4  黄酮化合物增强了恩施碎米荠硒耐受性

在硒富集方面，研究者通过基因组与转录组鉴定到了8个硒代谢途径相关的基因，这些基因在硒富集处理后表达量全都上升，且MMT基因表达量最高；此外转录组分析谷胱甘肽(GSH)基因、基因家族鉴定与细胞壁代谢相关的显著基因组扩增都增强了恩施碎米荠对高硒环境的适应性。

图5  GSH与恩施碎米荠硒耐受的相关性

通过构建高质量的参考基因组，研究者阐述了恩施碎米荠的基因组特征及其WGD事件，通过Hi-C多组学分析揭示了硒对其染色质三维空间结构的影响，通过转录组与代谢组确定了增强恩施碎米荠硒耐受性的次生代谢产物。综上，本研究通过多组学分析系统揭示了恩施碎米荠硒富集和硒耐受的分子机制，为恩施碎米荠资源的进一步开发利用提供了理论基础。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41421-021-00286-x