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。
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。
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。
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。
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。
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。
