基因組文章 | sunflower, Helianthus annuus《Nature》 2017

一、研究背景:

向日葵(英文:Sunflower,學名:Helianthus annus)是一種全球性的油料作物,能在包括干旱在內(nèi)的各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定的產(chǎn)量,同時向日葵可以作為 研究向光生長及花穗發(fā)育的模式生物 ,然而向日葵基因組大小約3.6G,存在大量的重復序列,基因組組裝是一大難題。

二、研究方法:

基因組測序和組裝:采用PacBio RS II平臺,對自交系XRQ基因型的向日葵進行測序,利用WGS 8.3組裝流程進行組裝。

蛋白質(zhì)編碼基因和重復序列注釋:利用EuGene 4.2預(yù)測基因結(jié)構(gòu),利用Interpro對蛋白編碼區(qū)域進行功能注釋,利用LTRharvest 和LTRdigest對重復序列進行注釋。

向日葵進化史和全基因組復制研究:用向日葵、朝鮮薊、咖啡、和萵筍以及葡萄作為外群進行比較分析。通過同義替換水平評估分化距離和時間,進一步鑒定直系和旁系關(guān)系。通過染色體共線性(synteny)和Ks分析來識別基因組加倍事件。

花期和油脂代謝遺傳網(wǎng)絡(luò):運用GWAS、QTL方法重構(gòu)了花期和油脂代謝這兩大育種性狀的遺傳網(wǎng)絡(luò),找到了新的候選基因。

三、研究成果:

1. 向日葵基因組的組裝

研究通過純?nèi)蚪M測序(PacBio RS II platform,102×)總共組裝得到13,957contigs, contig N50為399kb,共組裝得到了3Gb的基因組數(shù)據(jù),占預(yù)估基因組大小的80%。研究人員利用4個高密度遺傳圖和1個物理圖譜,構(gòu)建出了17條假染色體,掛載率為97%;通過對基因組組裝結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)向日葵基因組中超過75%的序列為長末端重復逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(Long Terminal Repeat Retrotransposons,LTR-RTs),LTR-RTs以非隨機的模式分布。

圖1 整合了遺傳學、多樣性以及基因表達數(shù)據(jù)的向日葵基因組組裝圖

2. 向日葵的進化史和全基因組復制事件(WGD)

基于基因組組裝的結(jié)果,研究人員比較了向日葵、萵筍、朝鮮薊、葡萄、咖啡的基因組,評估了菊科植物的演化史。研究人員通過與全基因組加倍事件的經(jīng)典研究物種之間的比較分析發(fā)現(xiàn),向日葵、生菜、朝鮮薊都經(jīng)歷了一次全基因組三倍化事件(WGT);此外,向日葵在2900萬年前還發(fā)生了一次全基因組二倍化事件(WGD-2),在此過程中染色體經(jīng)過多次斷裂及融合,最終形成向日葵現(xiàn)在的17條染色體。

圖2 向日葵進化史

3. 花期和油脂農(nóng)藝性狀研究

研究人員通過轉(zhuǎn)錄組測序獲得了不同組織器官(根、莖、葉和8個花器官)的表達譜數(shù)據(jù),同時構(gòu)建了不同激素水平和逆境壓力下的基因共表達網(wǎng)絡(luò);共預(yù)測出了52,232個編碼基因、5803個lncRNA、123個miRNA;其中67個lncRNA及1,020個mRNA被鑒定為miRNA的靶基因。

圖3 向日葵轉(zhuǎn)錄組的組裝特性性表達

研究通過轉(zhuǎn)錄組測序獲得了不同組織器官的表達譜數(shù)據(jù),同時構(gòu)建了不同的激素水平和逆境壓力下的基因共表達網(wǎng)絡(luò);通過擬南芥花期相關(guān)數(shù)據(jù)庫,在向日葵中共找到了270個與擬南芥花期相關(guān)的旁系同源基因;通過對480個F1代個體進行GWAS分析,在基因組上找到了與花期相關(guān)的35個候選區(qū)域。這些區(qū)域與通過QTL定位獲得的區(qū)間相吻合,證實了結(jié)果的準確性。另外,研究發(fā)現(xiàn)花期網(wǎng)絡(luò)是由最近的全基因組倍增塑造的,這意味著,在數(shù)千萬年中,古老的橫向同源基因(基因組中由于倍增產(chǎn)生的同源基因)都能在同一調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中保留下來

圖4 a.向日葵花期調(diào)控基因網(wǎng)絡(luò)關(guān)系 b.向日葵花期基因在染色體上的分布

研究構(gòu)建了全基因組范圍內(nèi)的油脂代謝網(wǎng)絡(luò),在向日葵基因組中找到了與油脂合成相關(guān)的12條代謝通路,包含429個基因。通過對產(chǎn)油及不產(chǎn)油兩個群體的80份材料進行FST分析,研究人員發(fā)現(xiàn)了與油脂代謝通路相關(guān)的基因在差異區(qū)域中能被富集;有9個油脂代謝相關(guān)基因在高油和低油品系中分化明顯,在馴化后的育種過程中受到了人工選擇。

圖5 向日葵油脂代謝通路分析

文章總結(jié)

  • 利用純?nèi)鶳acBio測序,組裝獲得了高質(zhì)量的向日葵的基因組數(shù)據(jù);
  • 通過比較基因組分析,重構(gòu)了向日葵的進化史和全基因組復制事件,推動了菊科植物的進化史研究;
  • 結(jié)合重測序和轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù),利用GWAS和QTL定位分析,重構(gòu)了向日葵的花期和產(chǎn)油量性狀相關(guān)的基因網(wǎng)絡(luò),并定位了相關(guān)候選基因,為向日葵的分子化育種提供重要參考依據(jù)。

文章題目:The sunflower genome provides insights into oil metabolism, flowering and Asterid evolution
發(fā)表期刊:《Nature》
發(fā)表時間:2017
影響因子:41.577
主要研究團隊:法國卡斯塔內(nèi)托洛桑國家農(nóng)業(yè)研究院

研究亮點:

1. 通過純?nèi)鷾y序數(shù)據(jù),組裝獲得了高質(zhì)量的向日葵基因組,并獲得了向日葵和花器官的大量轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將為向日葵的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類營養(yǎng)學、生物多樣性等研究領(lǐng)域帶來新的啟示。

2. 重構(gòu)了菊分支的進化史,進一步確定了菊類分支II上存在三倍化事件,在約2900萬年前向日葵又單獨發(fā)生了一次全基因組特性重復。

3. 重構(gòu)了花期和油脂代謝這兩大育種性狀的遺傳網(wǎng)絡(luò),揭示了這些網(wǎng)絡(luò)中新的候選基因,這將有助于人們在考慮到農(nóng)業(yè)限制因素和人類營養(yǎng)需求的前提下,利用遺傳多樣性改善向日葵的抗逆性和產(chǎn)油量,加速其分子育種進程。

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