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    二月蘭基因組解析為十字花科古多倍化演化和野生資源利用提供新思路

          近日,中國農業科學院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設計育種團隊完成了二月蘭基因組的解析,通過基因組比較分析,在十字花科古多倍化演化和高產優質油脂性狀等的遺傳基礎上取得了重要發現。相關成果以“The genome of Orychophragmus violaceus provides genomic insights into the evolution of Brassicaceae polyploidization and its distinct traits” 為題發表在《植物通訊 (Plant Communications)》(IF: 8.625)上。


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          二月蘭,屬于十字花科諸葛菜屬,因開花始于農歷二月而得名,是一種重要的觀賞園藝植物。二月蘭的種子含油量高,富含不飽和脂肪酸,是一種潛在的高質量油料作物。從進化上看,已有研究提示二月蘭可能是由一個四倍體祖先進化而來,且與白菜、甘藍、蘿卜等十字花科蔬菜的親緣關系較近,可與白菜等雜交。因此,有推測認為二月蘭可能是白菜等十字花科作物多倍化過程中的四倍體祖先。然而由于基因組信息缺乏,限制了相關多倍化進化過程的研究,也阻礙了二月蘭的馴化與育種應用。

          該團隊運用Nanopore和Hi-C測序組裝技術,完成了二月蘭全基因組組裝,獲得了包含12對染色體的高質量參考基因組,大小為1.34 Gb?;诙绿m祖先基因組的推導、重建與分析,發現二月蘭經歷了一次特異性的基因組四倍化事件,并明確了其二倍體祖先具有七條染色體,且核型為tPCK(translocated proto-Calepineae karyotype),與白菜等十字花科蔬菜作物相同。


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    圖1. 二月蘭基因組特征及其二倍體祖先核型的鑒定


          基于祖先基因組的七條染色體,重建了二月蘭的兩套祖先基因組,分別命名為Ov1和Ov2。研究發現Ov1的基因密度高于Ov2,進一步比較兩套亞基因組中的同源基因表達水平,發現Ov1上有更多基因的表達量高于Ov2上的線性同源基因,同時與基因上下游的重復序列密度呈負相關。這些結果表明二月蘭存在亞基因組優勢現象,其古多倍化屬于異源四倍化。二月蘭與白菜等十字花科植物在系統發育樹上較為接近,其基因組四倍化發生在約857萬年前,與白菜、甘藍等共有的基因組古三倍化時間相近。通過比較二月蘭與白菜等作物的基因組區塊(genomic block)的重排斷點的位置關系,以及亞基因組的來源分析,發現二月蘭的古四倍化事件與蕓薹屬的古六倍化事件是相互獨立的,明確了二月蘭不是白菜等十字花科作物的四倍體祖先。此外,通過比較基因組區塊關系,還校正了十字花科祖先核型系統的兩個區塊的邊界錯誤。


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    圖2. 二月蘭亞基因組特征和進化


          綜上所述,本研究解析了二月蘭高質量基因組,通過基因組進化分析,明確了二月蘭經歷了一次特異的古異源四倍化事件,存在亞基因組優勢現象,并確定了二月蘭的古四倍化事件與白菜等十字花科蔬菜作物的古六倍化事件相互獨立。這些研究結果豐富了我們對十字花科古多倍化演化的認知,為利用十字花科野生資源創制高產優質作物新種質提供了理論依據,以及為綠肥植物的研究提供了數據基礎。

          蔬菜分子設計育種團隊助理研究員張亢、博士生楊印慶和碩士畢業生張鑫為該論文的共同第一作者,程鋒研究員、王曉武研究員、資源區劃所易可可研究員和美國內布拉斯加大學林肯分校的James C. Schnable教授為該論文的共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金、中國農業科學院科技創新工程項目、農業農村部園藝作物生物學與遺傳改良重點實驗室,以及重點研發項目國家綠肥產業技術體系的資助。

    原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100431.


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