福建農林陳世品劉仲健研究組揭示楠木基因組與木蘭類的進化關係

近日，Horticulture Research 在線刊出了福建農林大學陳世品劉仲健研究組題為The Phoebe genome sheds light on the evolution of magnoliids 的重要成果。該研究成果完成了楠木全基因組測序和比較基因組分析，揭示了楠木的植株形態、材質形成的分子機制與木蘭類植物的進化關係。

木蘭類（Magnoliids）植物有9000多個種，由樟目（Laurales）、白樟目（Canellales）、木蘭目（Magnoliales）和胡椒目（Piperales）組成。儘管已有5種木蘭類物種完成了基因組測序，但木蘭類植物與單雙子葉植物之間的系統發育關係仍然不確定。閩楠（Phoebe bournei）俗稱楠木，屬於木蘭類的樟目，主要分布於中亞熱帶常綠闊葉林地帶，是中國二級珍稀漸危樹種。其木材芳香耐久，紋理結構美觀，是重要建築和製造高級家具的珍貴用材；其次，其樹幹通直，樹冠茂盛，被作為行道樹廣泛種植。楠木壽命長，生長緩慢，再加上過渡砍伐，導致楠木自然群體破碎化。因此，對楠木進行全基因組測序，將為楠木及其他木蘭類植物的起源、進化、多樣性和保護提供新的見解。

圖1 楠木的形態特徵。

Survey測序評估了楠木基因組大小約為1Gb，雜合度為1.54%。利用二代測序（Illumina）+三代測序（PacBio）組裝了989.19Mb大小的基因組（Contig N50=2.05 Mb），其中68.51%為重複序列，比牛樟（Cinnamomum kanehirae）基因組中的重複系列多20.5%。楠木基因組中注釋了28,198個蛋白編碼基因，其中27,011個基因得到了功能注釋。基於貝葉斯法構建的系統發育樹和基於胺基酸序列構建的串聯樹和並聯樹均支持木蘭類是單雙子葉植物的姐妹類群，而基於核苷酸序列構建的串聯樹和並聯樹支持木蘭類與單子葉植物共享同一個祖先，說明在單雙子葉植物以及木蘭類的分化存在不完全譜系排序（incomplete lineage sorting）。

圖2 不同方法構建的系統發育樹比較。

Ks分析表明樟科與木蘭目分化前不久發生過一次古老的全基因組複製事件（WGD）；隨後，樟科的祖先經歷了一次WGD事件，現存的樟科物種共享這次WGD事件，楠木自身沒有發生WGD事件。在楠木基因組中鑑定了63個MADS-box基因，其中與根發育的AGL12-like和ANR1-like基因在楠木基因組中發生了複製；鑑定了5個參與光形態發生的FIN219-like基因和2個參與光信號介導莖發育的SAUR50-like基因，這些基因可能促進了楠木向陽生長，從而形成了通直的樹幹。其次，MYB46-like基因主要調節木質素生物合成，PtrEPSP-like基因可以直接抑制SLEEPER-like基因的表達，而SLEEPER-like基因特異性抑制MYB46-like基因的表達，從而影響木質素的生物合成。我們在楠木中鑑定了4個MYB46-like和3個PtrEPSP-like基因，所有MYB46-like基因均在楠木的心材和皮層中表達，但在葉中低表達，PbEPSP1 在心材、皮層和葉片中高表達，這些基因可能與楠木材質的形成有關。

圖3 WGD分析。

楠木全基因組測序的完成進一步揭示楠木及其他木蘭類植物的系統發育；為楠木的多樣性、保護提供了新的視角；有助於研究人員利用遺傳學手段改造木本植物使其朝有利於人類和環境的方向進化。

福建農林大學劉仲健教授為該論文的通訊作者，福建農林大學陳世品副教授為第一作者，福建農林大學博士生孫維紅、章迪楊、馬良等人參與了該項目的研究。該研究在福建農林大學林業高峰學科項目（118/712018007）、福建農林大學科技創新專項基金（118/KF2015088）和福建省第六批種子播種工程（[2-19]357）的資助下完成。

文章連結：

https://www.nature.com/articles/s41438-020-00368-z

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