What?林木基因组研究现在流行这些?
2019.11.11

林木占陆地生态系统生物量的90%以上,在生态、社会和经济建设中扮演着重要角色。近年来,林木基因组学研究发展迅速,已组装获得了多种造林或经济树种如扁桃、麻疯树、杜仲等的高质量基因组,极大推动了林木木材发育、环境适应性、次级代谢物合成等相关研究,为优质林木新品种的定向培育奠定了基础。下面,小编与大家分享几篇近两年发表的林木基因组文章,浅谈林木基因组的研究方向~


案例1:扁桃基因组文章[1]


文章名称:Mutation of a bHLH transcription factor allowed almond domestication

发表期刊:Science

发表时间:2019年6月

材料选择:扁桃Prunus dulcis

测序策略:Illumina(100 X)+ PacBio


组装结果





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研究结果


野生扁桃仁中含有苦杏仁苷,水解后能释放出氢氰酸,不仅苦涩,对人类和其他捕食者还具有毒害作用。研究人员组装获得了扁桃基因组,基于该参考基因组,结合扁桃近缘的桃(Prunus persica)基因组,预测获得了27,817个扁桃基因,鉴定到了一个与甜味相关的46 kb大小的基因簇-转录因子bHLHs(bHLH1/2/3/4/5)。bHLH2的二聚体结构域中的非同义点突变(Leu至Phe)会影响细胞色素P450编码基因PdCYP79D16PdCYP71AN24的转录表达,而PdCYP79D16PdCYP71AN24在甜杏仁和苦杏仁中具有不同的转录表达水平,可见,bHLH2通过调控细胞色素P450编码基因的表达,抑制扁桃仁中苦杏仁苷的生物合成,使得扁桃表现出甜仁性状。该研究成果的获得,不仅有助于指导扁桃的育种实践,还有望准确揭示扁桃的驯化史。


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图1. bHLHs分布


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图2. bHLH2点突变示意图


案例2:梨树基因组文章[2]


文章名称:De novo assembly of a wild pear (Pyrus betuleafolia) genome

发表期刊:Plant Biotechnology Journal

发表时间:2019年7月

材料选择:山西沁源野生杜梨

测序策略:Illumina(54.6 X)+ PacBio(95.4 X)+ BioNano+ Hi-C


组装结果




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研究结果


野生梨树具有较强的响应逆境胁迫的能力,而现有的梨树基因组研究均基于已驯化的栽培树种进行组装。该研究通过多组学测序技术组装了一套高质量的染色体水平的野生梨树(Pbe-SD)基因组,用于开展梨树抗逆机制研究。该基因组共注释获得22,658个基因家族,其中1,536个家族中的8,033个基因特异性存在于Pbe-SD。Pbe-SD在5000万年前发生了全基因组复制事件,在Pbe-SD进化过程中,分别有2,831和977个家族发生了基因扩张和收缩。此外,TNLs家族和PTIs家族在野生梨树抵御病虫害方面具有重要作用。SOTs等山梨醇载体的跨膜转运能力决定了Pbe-SD中可溶性有机酸的含量,影响果实中糖与酸的比例,使梨具有甜/酸味。该基因组的连续性和完整性均高于现有已发表的梨树基因组,为深入探究梨树抗逆机制、梨的遗传性状改良奠定了基础。


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图3. Pbe-SD基因组进化分析及糖/酸代谢途径


案例3:蒜头果树基因组文章[3]


文章名称:Genome sequence of Malania oleifera, a tree with great value for nervonic acid production

发表期刊:Giga Science

发表时间:2019年8月

材料选择:不同树龄、季节的Malania oleifera叶片

测序策略:Illumina(21 X)+ PacBio(30 X)+ 10X Genomics(89 X)


组装结果




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研究结果


蒜头果的种子富含脂肪酸,尤其是神经酸,是修复疏通受损大脑神经纤维、促使神经细胞再生的重要物质。该研究基于二代、三代和10X Genomics测序技术,组装获得了高质量的蒜头果树基因组。组装基因组种重复序列约82.05%,其中LTR-RTs占比58.23%。该基因组杂合性较低,进化过程中并无全基因组复制事件发生。通过基因组注释,发现有19个基因参与了脂肪酸的初步合成,14个基因参与了长链脂肪酸的生物合成过程,其中,Maole_016461等6个基因在脂肪酸链延伸过程中起到了关键作用。该研究首次完成了蒜头果树基因组组装和注释,对蒜头果树的保护、神经酸生物合成的功能基因组学研究具有重要意义。


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图4. Moleifera基因组重复序列构成、系统进化分析及长链脂肪酸的生物合成途径


案例4:麻疯树基因组文章[4]


文章名称:Genome sequence of Jatropha curcas L., a non-edible biodiesel plant, provides a resource to improve seed-related traits

发表期刊:Plant Biotechnology Journal

发表时间:2018年7月

材料选择:Jatropha curcas L.

测序策略:Illumina(320 X)+ PacBio(78 X)+ BioNano(15 X)


组装结果





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研究结果


麻疯树是我国重点开发的绿色能源树种。该研究组装获得了高质量的Jcurcas CN参考基因组,重构了大戟科的系统发育,发现Jcurcas CN隶属于大戟科木薯属,命名为Cnidoscolus aconitifolius。麻疯树种子中储存的甘油三酯(TAG)主要由磷脂二酰基甘油酰基转移酶合成;油质蛋白编码基因同源基因的持续性高表达会抑制TAG的分解,促进油脂在种子中的积累。此外,还发现麻疯树种饼中佛波酯的毒性与双萜类物质生物合成的酶如蓖麻烯合成酶编码基因的结构簇密切相关。该参考基因组的质量显著高于已有麻疯树属基因组,为进一步提高麻疯树种子的油脂含量、降低种饼毒性等遗传性状的改良提供了科学依据。


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图5. Jcurcas CN基因组特征及进化分析


案例5:杜仲基因组文章[5]


文章名称:The hardy rubber tree genome provides insights into the evolution of polyisoprene biosynthesis

发表期刊:Molecular Plant

发表时间:2018年5月

材料选择:三倍体Eucommia ulmoides

测序策略:Illumina(85 X)+ PacBio(8 X)+ BioNano(100 X)


组装结果




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研究结果


目前鲜有研究对重复序列多、杂合度高的植物进行大型基因组组装。该研究以三倍体杜仲为试材,基于多组学测序技术,组装了首个杜仲参考基因组。基于该基因组,发现E.ulmoides并不是唇形类植物,而是与唇形类、桔梗类植物处于平行的分类单元,其生活史可追溯至白垩纪。PRsSYPs等基因的扩张及特有基因的存在,使得杜仲具有较强的环境适应性,促进其体内次生代谢产物的合成。Eulmoides主要通过胞质甲羟戊酸途径合成前体物质IPPs,随后在EuFPS1、EuFPS3、EuFPS5作用下合成长链TPI。EuSRPP1/2/7在橡胶合成及维持橡胶粒子膜蛋白的稳定性方面起到了关键作用。该研究中高质量基因组的获得,为进一步开展杜仲的生物学特征研究、提高橡胶产量提供了科学依据,具有重要的理论和实践意义。


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图6. Eulmoides基因组进化分析


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图7. EuREF/SRPPs分布及橡胶生物合成途径


通过以上多篇林木基因组文章案例,小编总结了林木基因组学最新的研究方向和趋势:



1. 组装获得高质量基因组
高深度二代测序结合三代长读长测序及Hi-C辅助组装,获得高质量的染色体水平参考基因组,为进化基因组学研究和后续的功能基因组学分析奠定遗传学基础;


2. 探究物种的环境适应性机制
利用比较基因组学结合分子生物学研究,探析物种的环境适应性机制,为林木新品种的培育提供科学依据;


3. 明确代谢物的生物合成途径
利用多组学测序技术结合生理生化分析,明确代谢产物的生物合成途径,为林木的遗传性状改良提供分子生物学证据。

参考文献

[1] Sánchez-Pérez R, Pavan S, Mazzeo R, et al. Mutation of a bHLH transcription factor allowed almond domestication[J]Science, 2019, 364(6445): 1095-1098

[2] Dong X, Wang Z, Tian L, et al. De novo assembly of a wild pear (Pyrus betuleafolia) genome[J]Plant Biotechnology Journal, 2019. doi: 10.1111/pbi.13226

[3] Xu C Q, Liu H, Zhou S S, et al. Genome sequence of Malania oleifera, a tree with great value for nervonic acid production[J]GigaScience, 2019, 8(2): giy164

[4] Ha J, Shim S, Lee T, et al. Genome sequence of Jatropha curcas L., a non-edible biodiesel plant, provides a resource to improve seed-related traits[J]Plant Biotechnology Journal, 2019, 17(2): 517-530

[5] Wuyun T, Wang L, Liu H, et al. The hardy rubber tree genome provides insights into the evolution of polyisoprene biosynthesis[J]Molecular Plant, 2018, 11(3): 429-442

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