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【Mol Plant 】中國農(nóng)科院等公布染色體水平的大蒜基因組

2020.07.31

蔥屬植物是一個大的單子葉植物類別，含近千個物種，其中不少物種具有顯著的經(jīng)濟價值。大蒜是重要的蔥屬作物之一，我國大蒜的年播種面積達到1000萬畝以上。大蒜基因組未知，且栽培種大蒜一般不育，嚴重阻礙了大蒜生物學(xué)研究及大蒜育種工作。大蒜屬于二倍體物種（2n=16），但大蒜基因組非常大（16.9 Gb），且具有重復(fù)率高（~1.68%），雜合度大（預(yù)估> 80%）等特點，屬于非常復(fù)雜的基因組

為了解碼大蒜基因組，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所劉頭明研究團隊，聯(lián)合山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，西北農(nóng)林科技大學(xué)，武漢大學(xué)和諾禾致源生物科技公司，歷時四年完成了大蒜基因組的測序和組裝工作，研究結(jié)果以“A chromosome-level genome assembly of garlic (Allium sativum L.) provides insights into genome evolution and allicin biosynthesis”為題，在線發(fā)表在Molecular Plant上

該研究綜合利用PacBio，Nanopore，Illumina PE，10X Genomics和Hi-C技術(shù)開展了大蒜的基因組測序，測序數(shù)據(jù)量達到4.3 Tb。經(jīng)過組裝后得到的基因組大小為16.24 Gb, Contig 和superscaffold N50分別為194 kb和1.69 Gb。單條染色體最小的為1.35 Gb，最大的達到2.16 Gb。注釋分析發(fā)現(xiàn)大蒜基因組中含57561個基因，BUSCO和CEGMA評估證明大蒜基因組組裝質(zhì)量較好。大規(guī)模轉(zhuǎn)錄組分析共鑒定到847個鱗莖中特異表達的大蒜基因，5881個鱗莖膨大期間差異表達基因；另外，在102個大蒜品種中，完成大蒜鱗莖的基因表達與鱗莖重量性狀的皮爾森相關(guān)性分析。結(jié)合這些基因表達結(jié)果發(fā)現(xiàn)多個WOX家族基因和生長素相關(guān)基因可能參與到鱗莖發(fā)育。

圖一大蒜基因組進化特征

大蒜基因組作為首個蔥屬物種中完成測序的基因組，對于研究物種進化具有重要的意義。研究團隊基于基因組系統(tǒng)進化分析發(fā)現(xiàn)大蒜與天門冬科蘆筍在大約80.8百萬年前發(fā)生了分化。大蒜在進化過程中發(fā)生了三次全基因組復(fù)制（WGD）事件，其中兩次發(fā)生在與蘆筍分化之前，另有一次近期的WGD事件發(fā)生在17.9 MYA。此外，大蒜基因組在~20-30萬年前重復(fù)序列發(fā)生急劇擴張，導(dǎo)致基因組中高達91.3%的序列為重復(fù)序列，這是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的重復(fù)序列比例最高的基因組。因此，該研究推斷大蒜的三次全基因組復(fù)制事件及重復(fù)序列急劇擴張是驅(qū)動大蒜基因組龐大的根本原因。

圖二大蒜素生物合成通路

最后，本研究通過基因組擴張收縮分析，發(fā)現(xiàn)菊糖型果聚糖合成關(guān)鍵酶6G-FFT基因和蒜氨酸酶基因發(fā)生了急劇擴張，推測它們可能分別與大蒜特有化合物菊糖型果聚糖和大蒜素的生物合成進化相關(guān)。結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，該研究確立了大蒜素生物合成通路，發(fā)現(xiàn)4個串聯(lián)重復(fù)的蒜氨酸酶基因隨著大蒜鱗莖發(fā)育，其表達量持續(xù)上升，推測它們與大蒜鱗莖中的蒜氨酸酶積累相關(guān)。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)孫秀東副教授，李寧陽副教授和喬旭光教授，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所朱四元研究員，程毅副研究員，諾禾致源生物公司趙靜博士為本文第一作者，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所劉頭明研究員，粟建光研究員，西北農(nóng)林科技大學(xué)程智慧教授為論文通訊作者。本研究受到了國家重點研發(fā)項目，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程和國家自然科學(xué)基金項目資助。

論文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(20)30232-X

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