中國傳統名花蠟梅染色體水平精細基因組圖譜

2020-08-13 BioArt植物

以下文章來源於BMC科研永不止步 ，作者BMC 中國

近日，華中農業大學劉秀群、趙凱歌研究組和金雙俠研究組聯合西南林業大學陳龍清研究組在Genome Biology 上發表了題為「The chromosome-level wintersweet (Chimonanthus praecox) genome provides insights into floral scent biosynthesis and flowering in winter」研究論文，公布了國傳統名花蠟梅（Chimonanthus praecox）的染色體水平精細基因組圖譜。



該研究綜合解讀了蠟梅基因組基本特徵、以蠟梅為代表的木蘭類植物物種進化位置、蠟梅全基因組多倍化事件以及樟目植物基因組進化歷史；對蠟梅花香合成代謝網絡中相關關鍵基因進行了深入研究；同時系統解析了蠟梅花芽分化到開花的發育過程；為被子植物演化、蠟梅花香生物合成及開花提供了新見解。

蠟梅是木蘭類植物樟目蠟梅科蠟梅屬植物，為我國歷史傳統名花，有上千年的栽培歷史，其花香濃鬱，是稀有冬季開花的木本花卉。花期特殊、花香濃鬱賦予其獨特的觀賞特性，廣泛應用於盆景栽培、園林綠化、切花生產，具有極高的觀賞應用價值。目前，幾乎所有的中國園林綠地中都栽種有蠟梅；近年在上海、重慶、成都開發它作為春節和聖誕節的木本切花；蠟梅作為藥草植物，在木草綱目中已有記載。蠟梅作為木蘭類植物的代表，在被子植物進化歷史過程中具有重要地位。蠟梅基因組的破譯為木蘭類植物系統位置提出了新見解，為解析蠟梅生物學觀賞特性奠定了重要的基礎。


研究團隊利用二代Illumina Hiseq2000和三代PacBio測序平臺進行測序，結合10x Genomics和Hi-C獲得了染色體水平的精細基因組，該基因組大小為695.36 Mb，contig N50為2.19 Mb，Scaffold N50 達到65.35Mb， 99.42%的序列錨定到11條染色體上。同時該團隊利用二代測序技術完成了蠟梅近緣種夏蠟梅的全基因組測序。


研究者利用蠟梅、夏蠟梅以及其他15個具有代表性被子植物的基因組數據，通過溯祖法和串聯法構建了系統進化樹，結果表明木蘭類植物與雙子葉植物互為姐妹關係。


研究者利用蠟梅基因組內、與其他物種基因組間的共線性分析以及Ks分析，檢測到蠟梅經歷兩次全基因組複製事件，校正進化速率以後，估計蠟梅兩次全基因組複製事件分別發生在大約77.8和112.1Ma。其中較古老的全基因組複製事件發生在樟科和蠟梅科分化之前，近期的全基因組複製事件發生在樟科和蠟梅科分化之後。蠟梅基因組在歷史進化中經歷了複雜的染色體斷裂、融合及片段重組過程。



研究團隊結合細胞學和轉錄組學對蠟梅花芽周年發育過程的分子機制進行了研究，對花芽分化、花器官特化以及花器官發育、花芽休眠和抗寒等生物學特性進行了分子解析，鑑定到了大量成花轉變、花發育以及開花時間相關候選基因，為將來功能基因組學研究奠定了良好的基礎。



此外，團隊在高質量基因組圖譜基礎上，解析了蠟梅花香主成分形成的分子機制。單萜化合物芳樟醇是蠟梅花香的主要成分，佔花香總成分將近50%。該類物質主要由單萜合酶催化產生，通過比較基因組分析發現單萜合酶TPS-b亞家族基因在蠟梅中發生了顯著擴張，而這些基因擴張的主要來源是基因的串聯複製事件。為進一步挖掘芳樟醇合成的關鍵基因，研究者結合蠟梅花發育不同階段轉錄組和花香揮發物的代謝組數據，得到了芳樟醇合成的候選基因，然後通過體外酶活及菸草異源穩定轉化實驗進行候選基因功能驗證，成功鑑定到芳樟醇合酶基因CpTPS4。同時發現該基因在基因組還有另外四個拷貝CpTPS17、CpTPS18、CpTPS19和CpTPS50，其中CpTPS17、CpTPS18、CpTPS19在花中高表達。基於蠟梅基因組共線性分析，結果顯示CpTPS17、CpTPS18基因是通過串聯複製進化產生的，串聯複製帶來芳樟醇合成酶劑量上的變化進而導致蠟梅特徵香氣芳樟醇的形成。苯環類化合物乙酸苄脂是蠟梅的特徵香氣成分，研究發現乙酸苄酯合成通路關鍵酶多數是通過全基因組複製和串聯複製事件產生的，尤其是乙酸苄酯合酶BEAT基因。通過蠟梅花發育不同階段轉錄組和乙酸苄酯揮發物釋放量關聯分析鑑定到了乙酸苄酯合成的4個候選基因。此外，用同樣的方法鑑定到三個由串聯複製產生的水楊酸甲酯合成酶SAMT候選基因。



綜上所述，該研究構建了蠟梅高質量染色體水平上的基因組圖譜，為木蘭類植物進化位置提供了新證據，初步解析了蠟梅濃鬱花香形成以及開花的遺傳基礎。高質量的蠟梅全基因組序列有助於進一步深入開展分子遺傳學研究，鑑定控制冬季開花時間、花香花色等眾多性狀的功能基因, 從而推動蠟梅基礎研究的快速發展和加快新品種創製。


華中農業大學園藝林學學院博士研究生尚均忠、田敬璞，諾禾致源公司程繪繪為論文共同第一作者。華中農大碩士研究生嚴喬木、李來，博士研究生Abbas Jamal，以及許忠平博士、向林副教授參與了本項研究，Clemson 大學Christopher Saski博士對論文語言進行了潤色。西南林業大學陳龍清教授、華中農業大學劉秀群副教授、趙凱歌副教授、金雙俠教授為論文共同通訊作者。本研究受到了國家自然科學基金項目的支持。


論文連結：

https://doi.org/10.1186/s13059-020-02088-y

相關焦點

  • 我國科學家解析蠟梅染色體水平的基因組圖譜
    名花蠟梅的染色體水平精細基因組圖譜。據趙凱歌副教授介紹，蠟梅是木蘭類植物樟目蠟梅科植物，為我國歷史傳統名花，有上千年的栽培歷史，其花香濃鬱，是稀有的冬季開花木本花卉。它花期特殊、花香濃鬱，具有極高的觀賞應用價值，被廣泛應用於盆景栽培、園林綠化和切花生產。近年來，蠟梅在上海、重慶等地被開發作為春節和聖誕節的木本切花。蠟梅還是本草綱目中記載的藥草植物。
  • 今日關注：我國科學家解析蠟梅染色體水平的基因組圖譜
    今日關注：我國科學家解析蠟梅染色體水平的基因組圖譜 中國花木園林快訊 記者柏斌報導 近日，華中農業大學劉秀群（副教授）、趙凱歌（副教授）研究組和金雙俠（教授）研究組，聯合西南林業大學陳龍清（教授）研究組在開放獲取期刊Genome Biology 上，以「The chromosome-level wintersweet (Chimonanthus praecox) genome provides
  • 我國科學家解析蠟梅染色體水平的基因組圖譜
    我國科學家解析蠟梅染色體水平的基因組圖譜中國花木園林快訊 記者柏斌報導 近日，華中農業大學劉秀群（副教授）、趙凱歌（副教授）研究組和金雙俠（教授）研究組，聯合西南林業大學陳龍清（教授）研究組在開放獲取期刊Genome Biology 上，以「The chromosome-level wintersweet (Chimonanthus
  • 華中農業大學聯合西南林業大學解析蠟梅染色體水平的基因組圖譜
    蠟梅（Chimonanthus praecox）的染色體水平精細基因組圖譜。蠟梅是木蘭類植物樟目蠟梅科蠟梅屬植物，為我國歷史傳統名花，有上千年的栽培歷史，其花香濃鬱，是稀有冬季開花的木本花卉目前，幾乎所有的中國園林綠地中都栽種有蠟梅；近年在上海、重慶、成都開發它作為春節和聖誕節的木本切花；蠟梅作為藥草植物，在木草綱目中已有記載。蠟梅作為木蘭類植物的代表，在被子植物進化歷史過程中具有重要地位。蠟梅基因組的破譯為木蘭類植物系統位置提出了新見解，為解析蠟梅生物學觀賞特性奠定了重要的基礎。
  • 科學家發表蠟梅精細基因組圖譜—新聞—科學網
  • 精細基因組圖譜告訴你
    近日，華中農業大學劉秀群、趙凱歌研究組和金雙俠研究組聯合西南林業大學陳龍清研究組，在《基因組生物學》在線發表了蠟梅的染色體水平精細基因組圖譜，系統研究了蠟梅花芽周年發育的生物學特性，破解了蠟梅獨特香氣之謎。
  • 華大海洋聯合發表大口黑鱸染色體水平基因組圖譜
    近日，華大海洋聯合中國水產科學研究院珠江水產研究所完成了大口黑鱸染色體水平基因組精細圖譜的繪製和遺傳解析，研究論文正式發表於國際重要學術期刊Molecular Ecology Resources（圖1）。
  • 【科技日報】小麥A基因組序列精細圖譜完成
    【科技日報】小麥A基因組序列精細圖譜完成 2018-05-11 科技日報 趙漢斌 【字體：、遺傳發育所基因組分析平臺與中國科學院種子創新研究院等合作，最新完成了小麥A基因組序列精細圖譜。
  • 中國熱科院發布芒果精細基因組圖譜,揭示芒果進化和馴化機制
    近日，中國熱帶農業科學院品資所聯合中科院微生物所等十家機構，繪製了芒果精細基因組圖譜，並在基因組水平上揭示了芒果物種進化機制和栽培品種馴化歷史。解析基因組，將為芒果種質資源研究和芒果分子設計育種打開一個全新的窗口。2014年，中國熱帶農業科學院品資所陳業淵、王鵬團隊聯合胡松年團隊，啟動了芒果基因組解析項目。經過近五年的努力，圓滿地完成了項目計劃，獲得了大小為393M的芒果精細基因組圖譜，評估結果表明，ContigN50達到了3.5M。
  • 鯉魚全基因組序列精細圖譜繪製完成
    原標題：鯉魚全基因組序列精細圖譜繪製完成 　　本報記者 馬愛平 　　日前，鯉魚全基因組序列精細圖譜已繪製完成，該基因組覆蓋約為16.9億鹼基，包含52610個功能基因，功能基因數目是大多數硬骨魚類基因數目的兩倍。
  • 科學家從基因組水平揭示食肉目染色體進化規律
    雖然前人通過比較染色體塗色法建立了食肉目內許多物種的染色體比較圖譜，但這些研究的解析度比較低，尚沒有深入到精細的核苷酸水平，也不能在核苷酸水平研究不同食肉目物種間的共線性區塊、染色體重排以及染色體斷裂區分布等染色體進化規律。
  • 繪製鞍帶石斑魚基因組精細圖譜
    中國水科院黃海水產所等
  • 染色體級別橡膠樹參考基因組圖譜繪就—新聞—科學網
    GT1的參考基因組序列，並揭示了大戟植物基因組的染色體進化、膠乳生物合成與橡膠樹的馴化。2013~2016年，馬來西亞、泰國和中國的研究團隊利用二代或者二代與三代測序雜合組裝技術共發表了4張橡膠樹的基因組草圖。「但是，這些研究依然沒有突破大戟科植物基因組的染色體如何進化、為什麼橡膠樹能高產膠乳、橡膠樹在近一個世紀如何被馴化重大科學問題。
  • 科研人員獲得首個染色體級別的橡膠樹參考基因組圖譜
    中科院昆明植物研究所供圖中新網昆明12月16日電 (記者 胡遠航)記者16日從中國科學院昆明植物研究所獲悉，由該所及雲南省熱帶作物科學研究所、華南農業大學基因組學與生物信息學研究中心組成的聯合研究團隊，歷經6年，利用單分子實時測序(SMRT)和Hi-C技術，在國際上首次獲得了達到染色體級別的高質量巴西橡膠樹優良品種GT1的參考基因組序列，並揭示大戟植物基因組的染色體進化
  • 桑樹全基因組圖譜繪製完成 西南大學團隊推動現代桑樹學科建立
    2013年，桑樹全基因組圖譜面世。繼繪製完成世界上第一張家蠶基因組框架圖及精細圖譜之後，西南大學家蠶基因組生物學國家重點實驗室的研究團隊再次引人矚目。　　在中國工程院院士向仲懷的帶領下，家蠶基因組生物學國家重點實驗室何寧佳教授領銜的研究小組聯合浙江省農業科學院、廣東省農業科學院等單位的專家，歷時三年完成了桑樹基因組研究，為桑樹學科發展發揮了重要作用。
  • 科學網—小葉茶染色體級別基因組圖譜首次完成
    「碧雲」茶樹參考基因組圖譜 高立志供圖 本報訊 近日，生物學預印本伺服器（www.biorxiv.org）在線發表了中美科學家聯合研究團隊的最新成果，該團隊採用單分子實時測序（SMRT）和 Hi-C技術，在20多個代表性小葉茶品種中選用雜合度較低的小葉茶良種「碧雲」，將組裝獲得的約2.85Gb 的基因組序列掛載到了15
  • 華大海洋聯合發表匙吻鱘基因組染色體圖譜
    近日，華大海洋聯合中國水產科學研究院長江水產研究所，首次成功破譯了鱘形目、匙吻鱘科、現存唯一物種匙吻鱘（Polyodon spathula）的全基因組序列，構建了首個匙吻鱘高質量染色體圖譜，揭示了鱘魚特有的全基因組複製事件、早期脊椎動物的染色體進化和骨骼礦化機制
  • 中國啟動十萬人基因組計劃:繪製國人精細基因組圖譜
    中國啟動十萬人基因組計劃：繪製國人精細基因組圖譜 今天(12月28日)，我國啟動「中國十萬人基因組計劃」，這是我國在人類基因組研究領域實施的首個重大國家計劃，也是目前世界最大規模的人類基因組計劃。
  • 昆明植物所獲得首個染色體級別的橡膠樹參考基因組圖譜
    雲南植膠區山地膠園鳥瞰圖及完成了基因組測序的橡膠樹 GT1 品種（供圖）橡膠樹基因組圖譜及其特徵（供圖）大戟科植物基因組的染色體進化（供圖）近日，熱帶作物種質資源與基因組學雲南省創新團隊首席科學家高立志教授帶領的雲南省熱帶作物科學研究所
  • 麵包小麥精細表觀組圖譜繪製及全基因組順式作用元件鑑定
    近日，中國科學院植物生理生態研究所和南京農業大學團隊合作生成並繪製麵包小麥精細的表觀組圖譜，以此為基礎針對性開發整合計算流程對全基因組順式調控元件進行了系統的挖掘與鑑定,並初步探索了其作用機制,為小麥基因調控機制解析研究提供了重要的資源。