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园林学院科研团队完成紫薇基因组组装和群体重测序

花匠小妙招
2024-09-07 15:28

近日，园林学院国家花卉工程技术研究中心张启翔教授团队在园艺学顶刊Horticulture Research （一区TOP，IF5yr = 9.0）在线发表了题为“Genome assembly and resequencing analyses provide new insights into the evolution and ornamental traits of crape myrtle”的研究论文，完成了首个染色体水平的高质量紫薇基因组组装和73份资源重测序研究，并整合重测序、BSA、转录组技术解析了紫薇株型、花色、叶色等重要观赏性状形成机制，为紫薇功能基因组学研究、优异种质基因资源挖掘、目标性状定向改良等搭建起重要平台。

紫薇（Lagerstroemia indica）是千屈菜科紫薇属的代表性物种，花色艳丽，花量丰盛，花期长达百天，有“谁道花红无百日，紫薇长放半年花”之美誉，是中国传统名花，象征幸福与好运，也是全球广泛应用的夏季著名观赏花木。

本研究采用PacBio技术完成了第一个紫薇高质量基因组de novo组装，通过Hi-C技术将基因组锚定到24条染色体上，锚定率99.97%，最终获得基因组大小为329.14 Mb（Scaffolds N50达13.85 Mb）。研究发现，在紫薇与石榴（Punica granatum）分化后（~35 MYA），紫薇经历了一个新的独立的全基因组三倍化事件。通过对73份紫薇种质资源进行全基因组重测序，验证了现代紫薇栽培品种的主要亲本为紫薇和屋久岛紫薇（L. fauriei）。通过成对序列马可夫共祖分析（PSMC）获得9种紫薇属植物1万年前至1000万年前的种群大小历史，在大约一百万年前出现了紫薇属植物种群规模的峰值，随后一直下降。在驯化过程中，许多植物的遗传多样性倾向于减少，但在紫薇中并未观察到这种现象。

此外，研究团队利用重测序技术构建了紫薇高质量遗传连锁图谱（平均遗传距离为0.33 cM），综合遗传图谱定位和BSA定位结果，将决定枝条节间长度（IL）的主效区间定位到第1条染色体，基于紫薇BC1、F2及其它F1群体在该目标区间中成功开发了3个有效分型的可用于株高筛选的KASP标记，并在目标区间内挖掘出与植物激素途径相关的GID1b基因，异源过表达结果显示GID1b基因具有调控植株株高的功能。利用红色、紫色和白色紫薇品种的花瓣组织进行转录组测序，重建了类黄酮化合物的生物合成途径，挖掘出64个与花青素和黄酮醇生物合成相关酶的基因。利用紫薇群体中紫叶和绿叶个体进行BSA分析，将决定紫色叶性状的主效区间定位到第12和第17条染色体，在区间内鉴定到与花青素合成相关的MYB35、NCED和KAS1基因。

紫薇基因组的高质量组装为研究紫薇演化、种群结构提供了参考，并为紫薇遗传改良和分子育种研究奠定了基础。

图1：紫薇比较基因组和进化分析

图2：73份紫薇属种质资源的种群结构及遗传多样性分析

图3：紫薇遗传图谱及BSA分析共同定位节间长度性状调控区间

国家花卉工程技术研究中心张启翔教授、潘会堂教授、程堂仁教授为该论文的通讯作者。博士生周杨、青年教师郑唐春副教授和蔡明副教授为共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划课题（2019YFD1001004, 2019YFD1000402）、北京市科技计划项目（No.Z181100002418006）和北京市共建项目专项资金等资助。

论文链接：https://academic.oup.com/hr/advance-article/doi/10.1093/hr/uhad146/7227322