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图1  文章发表信息

紫花槭（Acer pseudosieboldianum）隶属于槭树科槭属植物，因树形大、叶形美、叶色艳丽、果形奇特等特征而成为了我国东北地区最有观赏前景的乡土树种之一。林木的观赏价值主要取决于叶色和叶形，在叶色方面，紫花槭既可以从绿色渐变为黄色，也可以从绿色渐变为红色；在叶形方面，紫花槭具有七叶形和九叶形，这表明紫花槭具有丰富的表型多样性，可为进一步的遗传改良奠定基础。基于此，构建紫花槭的高质量参考基因组，同时解析紫花槭叶色和叶形多样性的分子机制，可为其分子育种研究提供新见解。

图2  槭树叶片的多样性

材料：紫花槭

测序策略：HiFi+Hi-C

转录&代谢：选取绿叶、半红叶、红叶材料进行相关实验

1.紫花槭基因组的组装与注释

通过HiFi和Hi-C测序，研究者构建了高质量的紫花槭基因组，其基因组大小为690.24Mb，Contig N50=4.36Mb，并将97.94%的序列挂载到13条染色体上，二三代数据比对率为97.94%，BUSCO评估基因组完整性为98.4%。

结合从头、同源和转录注释，研究者在紫花槭中注释得到29679个蛋白编码基因，其中92.76%的基因都可以得到功能注释；紫花槭基因组中重复序列占比为76.84%，还注释得到1014个tRNA、1515个rRNA、82个miRNA以及297个snRNA。

此外，与其它已发表的槭属植物相比，此研究构建的基因组连续性和完整性更好。

图3  紫花槭的基因组特征

2.紫花槭的比较基因组学分析

研究者选取15个近缘物种与紫花槭进行比较基因组学分析。基因家族聚类分析表明，紫花槭特有的基因家族与其它两种槭树植物相似，这说明其相互间有着密切的进化关系；系统进化树分析表明，紫花槭与其它两个槭属植物的分化时间为13.8个百万年前，而槭属与文冠果的分化时间为42.2个百万年前；基因家族收缩扩张分析表明，紫花槭的16229个基因家族中，有678个发生显著扩张，GO分析表明显著扩张的基因家族主要富集在与转移酶活性、单体代谢过程、四吡咯结合、血红素结合、钾离子跨膜转运相关的途径中。

共线性分析表明，紫花槭与其它两个槭属植物具有较高的祖先共线性，且具有相似的进化历史；WGD分析表明，紫花槭仅存在一个古老的γWGD事件，近期无独特的WGD事件。

图4  紫花槭的比较基因组学分析

3.多组学分析揭示紫花槭叶色多样性的分子机制

研究者分别选取绿叶（GL）、半红叶（HRL）、红叶（RL）等不同颜色的紫花槭进行转录组和代谢组分析。在转录组两两比较分析中，研究者鉴定了一大批差异表达基因，它们显著富集在与次生代谢产物合成、细胞成分组成等通路中，并通过比较确定了527个基因为共有的差异表达基因；进一步筛选与叶片颜色变化相关的基因，研究者确定了由差异表达基因贡献的800个转录因子，并确定了前七个转录因子，揭示了它们可能与花青素积累和叶色变化有关。

代谢组分析中，研究者先确定了333种次级代谢物，发现天竺葵素的含量在红叶中始终保持相对较高的表达水平，表明天竺葵素可能在红叶中的叶色形成中起关键作用，而进一步的分析表明代谢物的积累模式受差异基因表达的调节。

最后，研究者构建了基因-代谢物网络来揭示叶色变化期间转录组和代谢组之间的相关性，发现关键代谢产物与转录因子的表达密切相关，尤其是MYB和bHLH-TFs。结合两种转录因子的表达模式，研究者确定了MYB呈现显著的正调节功能，bHLH-TFs具有负调节功能。总之，上述的花青素生物合成基因和转录因子参与了紫花槭的叶色变化。

图5  叶色变化期间花青素生物合成相关基因的比较转录组学分析

4.TCP基因家族分析揭示紫花槭叶形多样性的分子机制

TCP蛋白是植物特有的bHLH转录因子，在植物形态发生中发挥重要的调节功能。通过搜索比对，研究者在3个槭属植物中鉴定到了67个TCP基因，这些TCP基因大致可分为5类：TCPa（12个基因）、TCPb（18个基因）、TCPc（3个基因）、TCPd（8个基因）和TCPe（26个基因）。其中在元宝槭中，TCPa叶片中保持显著的高表达水平，在其他组织中保持相对较低的表达水平，表明它们可能在叶片发育中发挥关键作用。总之，这些关键的TCP转录因子可能参与紫花槭叶片的形态调节。

图6 槭属植物中TCP基因的系统进化树分析