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丹桂飘香！菲沙助力首个桂花多品种基因组发表！

花匠小妙招
2024-09-11 20:17

桂花（Osmanthus fragrans (Thunb.) Lour.），隶属于木樨科、木樨属，是我国十大名花之一，在我国已有2500年的栽培历史，具有极高的经济与观赏价值。在桂花现存160个栽培品种中，依据花色和花期的不同，大致分为4个类群：金桂组（Luteus）、银桂组（Albus）、丹桂组（Aurantiacus）和四季桂组（Asiaticus）。其中，金桂花色为黄色，银桂花色为白色或浅黄，丹桂花色为橙色或朱红色，金、银、丹花期均在秋季；四季桂花色为淡黄色或黄色，其全年开花。基于此，运用多组学技术解析桂花不同品种花色与花期之谜，可为桂花新品种选育提供重要参考价值。

近日，河南农业大学尚富德教授团队在植物学Top期刊Plant Physiology上发表了题为“Multiomics analyses provide insights into the genomic basis of differentiation among four sweet osmanthus groups”的研究论文，该研究组装了银桂（YLYS）和丹桂品种（ZYH）基因组，并结合已发表的金桂和四季桂品种基因组，首次从基因组、转录组、代谢组等角度解析了桂花四个品种间的基因组进化、基因组与代谢物差异，从而解析了桂花不同品种花色与花期之谜。菲沙基因承担了本研究中的测序与分析工作。

图1 文章发表信息

·研究结果·

1、银桂（YLYS）和丹桂品种（ZYH）的基因组组装

通过HiFi与Hi-C测序，研究者构建了高质量的银桂（YLYS）和丹桂品种（ZYH）基因组，其基因组大小分别为728.82Mb和731.84Mb，contigN50分别为19.15Mb和21.38Mb。通过注释，在银桂（YLYS）中注释得到42324个基因，重复序列占比为64.7%；在丹桂品种（ZYH）中注释得到45236个基因，重复序列占比为63.96%。通过BUSCO评估与已发表桂花基因组比较，研究者证实了组装银桂和丹桂基因组的高准确性和高完整性。

图2 银桂（YLYS）和丹桂品种（ZYH）基因组组装

2、四个桂花品种的比较基因组学分析

四季桂”和“丹桂”依次在桂花物种内分化，其次是由“金桂”（Luteus品种群）和“银桂”组成的姐妹群。四个桂花品种的基因组比较表明，每个品种都包含相当数量的独特基因。“RXG”拥有最多的独特基因，有256个，其次是“ZYH”有229个，“YLYS”有165个，而“LYJG”的数量最少，为148个。这些独特基因在“RXG”中富集于与生物系统相关的19条富集途径，在“ZYH”和“YLYS”中富集于13条途径。“ZYH”中富集的途径大多与代谢有关，而“YLYS”中的途径与细胞过程和代谢有关。最后，“LYJG”的独特基因富集在四个主要与细胞过程相关的途径中。

基因家族收缩扩张基因分析表明，最初分化的“RXG”在2833个基因家族中经历了收缩，同时在775个基因家族中观察到扩张。对四个品种的正选择分析确定了品种分化中的选择。在“RXG”中，鉴定出10个表现出正选择的基因，这些基因富集在13条KEGG途径和135个GO类别中。“ZYH”有8个正选择基因，这些基因富集在1条KEGG途径和88个GO类别中。“LYJG”和“YLYS”分别展示了20个和6个正选择基因。此外，四个桂花品种与油橄榄共享同一WGD事件，大约发生在1530万年前。

图3 桂花不同品种比较基因组学分析

3、桂花不同花期花瓣的全长转录组与代谢组研究

研究者通过使用ONT全长转录组技术，分析了桂花不同开花阶段花瓣中的基因表达和可变剪接数据。对四个品种的S1、S2和S3阶段的花瓣样本进行了测序，表明不同品种和发育阶段之间存在显著的基因表达差异。研究还调查了七种不同类型的可变剪接事件的频率，包括外显子跳跃、内含子保留等，平均每个样本中约有6,291个可变剪接事件。特别地，"RXG"品种在S3阶段显示出比其他品种更多的可变剪接基因数量。此外，还鉴定了36个样本中的可变聚腺苷酸化事件，其中大多数APA基因仅包含一个APA位点。

研究者利用液相色谱-质谱联用技术（LC–MS）分析了四个桂花品种在三个不同开花阶段的花瓣中的代谢物。共检测到8,636种代谢物，其中包括4,759种在正离子模式下检测到的代谢物和3,877种在负离子模式下检测到的代谢物。通过主成分分析（PCA），发现不同品种和开花阶段的代谢物组成存在明显差异。特别是在开花阶段S3，"RXG"品种的代谢物与其他品种有显著不同，而"YLYS"和"LYJG"品种的代谢物则难以区分。

在桂花花瓣中，研究者们通过液相色谱-质谱联用技术（LC–MS）检测到三种与芳樟醇合成相关的中间代谢物：D-甘油醛-3-磷酸（D-G3P）、异戊烯基焦磷酸（IPP）和乙酰辅酶A。通过与候选基因的表达数据进行相关性分析，鉴定了63个有效表达的候选基因，其中DXS、DXR、GGPS和TPS基因与IPP的合成相关，而TPS基因与乙酰辅酶A的合成相关，DXR基因与D-G3P的合成相关。此外，还检测到α-和β-离子合成途径中的三种代谢物，包括D-α-离子、香叶基二磷酸和ζ-胡萝卜素。表达数据显示20个基因在这些途径中有效表达，其中PSY基因与D-α-离子相关，而PSY和CRTISO基因与ζ-胡萝卜素相关。

表4 桂花芳樟醇合成相关基因的鉴定

4、桂花不同品种花色与花期差异的遗传基础

丹桂花色与其它桂花存在显著差异。研究发现，这种颜色差异并非由OfCCD4基因本身的结构差异引起，而是由该基因启动子区域的4个碱基对缺失导致的表达水平显著下降。这种缺失在丹桂种群中是普遍现象，而在其他三个非红色品种中则没有这种缺失。特别地，“ZYH”与其他三个品种相比，在OfCCD4启动子区域上游100 bp处存在4 bp缺失，这与CAAT-box（一个转录因子结合位点）的位置接近，可能影响了相关转录因子的结合，从而降低了OfCCD4的表达，阻止了类胡萝卜素的降解，最终导致花色呈现红色。

四季桂花期与其它品种存在显著差异。通过比较四个品种中与花期调控网络同线性的129对基因，研究者们鉴定出44对在“RXG”与其他三个品种间存在显著结构差异的基因对，这些基因对可能与多季开花特性有关。特别是，一些在花期调控中保守的基因如LEAFY也显示出差异，这为揭示四季桂品种多季开花的机制提供了重要线索。

图5 银桂和丹桂OfCCD4 启动子的活性验证

·总结·

本研究中，研究者构建了高质量的桂花多品种基因组，揭示了四种桂花品种种群分化的先后顺序；同时结合转录组与代谢组研究，鉴定了鉴定了参与芳樟醇合成途径的DXS、DXR、GGPS和TPS基因，以及α-和β-离子合成途径的CRTISO和PSY基因；揭示了丹桂花色与其它品种的差异主要是由OfCCD4基因启动子区域的4个碱基对缺失导致表达下降引起的。总之，本研究的多组学数据为桂花的基础研究和分子育种提供了重要的遗传资源。

菲沙基因基于HiFi+Hi-C测序，累计构建了数百种花卉的高质量参考基因组，同时结合ATAC+转录组深入解析了数百种花卉花色相关的调控机制，并构建多种花卉的多组学数据库，研究成果先后发表在CNS及其子刊。花卉多组学研究，菲沙更专业！