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JGG | 花楸树基因组的组装和转录组分析为花楸树种群进化和叶片晒伤反应提供新见解

花匠小妙招
2025-03-12 17:05

责编 | 王一

2022年1月5日，北京农学院郑健教授研究团队联合中国农科院棉花研究所生物信息中心在Journal of Genetics and Genomics上发表了题为Genome sequence and transcriptome of Sorbus pohuashanensis provides insights into population evolution and leaf sunburn response的研究论文。该研究首次利用PacBio-HiFi三代测序和Hi-C技术组装了染色体水平的花楸树基因组，并利用重测序技术揭示了花楸属不同物种以及花楸树不同种群的遗传和进化关系，结合转录组技术探究了参与花楸树“日灼”现象调控的关键基因和核心通路，为今后花楸树及其属内植物的引种驯化和育种工作提供重要资源。

图一：文章发表信息

研究背景：花楸属（Sorbus）植物资源丰富，隶属于蔷薇科（Rosaceae），全世界约80余种。花楸树（Sorbus pohuashanensis（Hance） Hedl.），又名百花花楸，是花楸属集叶、花、果为一体的乡土景观树种，具有极高的园林及生态价值，分布于西北、华北以及东北的广大地区，作为伴生树种生于海拔800-2200米坡地或山谷林中。由于发掘力度不够，花楸属种间以及花楸树种群间的进化关系未曾揭示，花楸树引种到低海拔地区叶片出现“日灼”现象，将极大的限制花楸树在园艺绿化上的使用。

研究思路：PacBio 100x +Hi-C 100x +Illumina 90x （基因组组装）；重测序（不同花楸种属的进化）；转录组（花楸树日灼的关键基因和核心通路）

研究结果

研究结果1：花楸树基因组及其比较基因组分析

图2：花楸树的基因组和共线性分析

A.花楸树的基因组（A）LAI的分值;（B）重复序列密度图；（C）基因密度；（D）基因表达量水平;（E）SNP密度；（F）INDEL密度；（G）花楸树基因组共线性。B.花楸树和梨树，苹果树的共线性分析

该研究通过PacBio三代测序和Hi-C辅助基因组组装，首次测序获得了花楸树全长基因组序列，大小为660Mb，并定位于17条染色体（图2），contig N50为28.2Mb，基因组的LAI值达到17.81,而且各条染色体的大部分区域LAI分值>10,说明组装质量比较高。其中重复序列占基因组比例为68.4%，共注释得到44741个编码蛋白的基因。基因组共线性分析表明花楸树和苹果树、梨树具有较好的共线性。

研究结果2：花楸属的不同种的进化关系

图3：花楸树种群结构和进化关系

A：22个重测序样品的系统发育进化树；B：G1和G2主成分分析；C：种群结构(K = 2 to 6)；D：连锁不平衡（LD）衰减率（R2）；E：R21、R03和R14的进化关系；F：R21、R03和R14的杂合SNP比例；G：Chr01上R21的基因型组成（10-15 Mb）

通过22个样品的重测序分析，成功把样品分为两个组G1和G2。而我们在野外采集到的跨单叶和复叶的样本R21,经过分析恰好处于G1和G2的分割处。从进化关系上揭示了单叶和复叶的进化过程。同时对R21的SNP组成进行分析，发现R21是由R03和R14自然杂交产生的（图3）。

研究结果3：花楸树参与日灼反应的关键基因和核心通路

图4.花楸树日灼实验示意图

花楸树的日灼实验是在北京农学院花楸园艺种植资源圃进行。实验使用遮阴棚遮阴处理后作为CK，暴露于阳光下2.5h,26.5h,146.8h分别作为L1,L2,L3。每组样本有6个植株，共有3个生物学重复（图4）。

图5. 花楸树日灼反应表型以及分子调控网络

A：不同阶段花楸树叶片日灼的表型；B：参与花楸树日灼通路关键基因的表达量热图；C：花楸树叶片日灼的分子调控网络。

极端的环境条件会破坏膜的稳定性，改变渗透条件和离子组成，导致蛋白质错误折叠，并导致活性氧 (ROS) 的积累（Andrási 等，2020）。光合作用对压力特别敏感，早光诱导蛋白 (ELIP) 丰度的增加可以促进在大多数复活植物中观察到的快速恢复（VanBuren 等，2019）。热休克因子 (HSF) -热休克蛋白 (HSP) 是调节保护基因活性的转录控制系统的组成部分（Nishad 和 Nandi，2021）。我们确定了 182 个 DEG，包括 ELIP、HSP、HSF 和下游转录因子（TF）（例如 DREB、ERF 和 WRKY），作为参与高温响应的潜在调节因子（图 5）。HSPs 和 HSFs 在 L1、L2 和 L3 处上调，表明 HSP 和 HSF 通路在高温下被激活。在阳光压力下，大量错误折叠的蛋白质积累，这会触发 HSP 向其客户 HSF 募集。在被 HSP 释放后，HSF 可以与靶基因的 HSE 元件结合并激活信号通路以去除各种 ROS （Qu 等人，2013 年；Driedonks 等人，2015 年）。例如，黄烷醇和酶促抗氧化剂已被证明有助于消除 ROS （Ferreyra 等，2021）。与此一致的是，黄烷醇生物合成途径在 DEG KEGG 富集分析中得到富集，相关基因在阳光处理下表现出差异表达，PAL、4CL、CHS 和 FLS 被上调表达。

总结：该研究通过PacBio三代测序和Hi-C辅助基因组组装，首次测序获得了花楸树全长基因组序列，大小为660Mb，并定位于17条染色体，contig N50为28.2Mb。基于该参考基因组，对收集到的22个花楸属样品进行重测序，通过系统发育和PCA分析，样品聚为G1 （单叶）和G2 （复叶）两类，聚类结果与叶型分类高度一致。G2比G1具有更强的核苷酸多样性（π），证明G2起源于G1。该研究基于SNP分析，发现一个花楸属新物种R21是由花楸属单叶物种和复叶物种自然杂交产生的。该研究通过转录组分析，鉴定了182个参与调控花楸树日灼现象的差异表达基因，其中HSP-HSF途径显著富集，此外，一些转录因子（TFs）和类黄酮生物合成途径在花楸树日灼现象的形成中起到重要调控作用，为今后花楸树引种驯化提供基因信息资源。

北京农学院园林学院硕士研究生赵冬雪，张炎讲师和山东省林草种质资源中心鲁仪增高级工程师为该论文共同第一作者。中国农业科学院棉花研究所生物信息中心范李强、张志斌、柴毛参与了该项研究。中国农业科学院棉花研究所生物信息中心柴毛研究实习员和北京农学院园林学院郑健教授为共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金资助。

引用本文：

Dongxue Zhao, Yan Zhang, Yizeng Lu, Liqiang Fan, Zhibin Zhang, Mao Chai, Jian Zheng. (2021). Genome sequence and transcriptome of Sorbus pohuashanensis provides insights into population evolutionand leaf sunburn response. Journal of Genetics and Genomics.

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.jgg.2021.12.009