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马齿苋染色体水平高质量基因组揭示C4和CAM起源及进化

发表期刊：Plant Physiology

研究材料：二倍体马齿苋(2n=52)

测序策略：Nanopore+Hi-C

研究内容：C4植物的光合作用能力约是C3植物的2倍，同时具有更高的水分和氮素利用效率，而CAM植物则往往是极其耐旱，且生长缓慢。马齿苋是一种兼具C4 + CAM光合模式的耐旱植物，生命力顽强，是基础和应用研究的优秀植物模型。研究人员利用Nanopore、Bionano、Hi-C等综合测序技术成功构建高质量染色体水平马齿苋参考基因组，该基因组大小为1,134 Mb，Contig N50为18.23 Mb，BUSCO评估大小为98.00%。基因注释得到45，250个高置信度的蛋白编码基因。比较基因组学分析表明，马齿苑在核心真双子叶植物分化后经历两次全基因组加倍(WGD)事件。通过对石竹目中多个物种编码磷酸烯醇丙酮酸羚化酶（PEPC）的基因家族进行系统发育分析、功能位点鉴定、昼夜表达模式检测等，成功将几种PEPC分配到C4特异性(四种酶)和CAM特异性(两种酶)基团上。这些C4和CAM途径中关键酶或转运蛋白的编码基因以及一些重要的转录因子家族如热休克因子A(HsfA)通过WGD和串联重复(TD)事件显著扩张，且在高温干旱处理下高表达。该结果说明马齿苑基因组中的WGD和TD基因促进了其对逆境胁迫环境的适应性。该研究不仅为植物C4和CAM两种光合代谢系统的整合提供了宝贵遗传资源，也为C4-CAM工程作物的研究提供了潜在靶点，这类新型光合作用途径的发现与应用有助于普通作物转化为耐旱高产作物。

图1 马齿苋基因组及其特征

柽柳高质量基因组阐明其盐度适应及进化机制

发表期刊：GigaScience

研究材料：二倍体柽柳（鲁柽1号）(2n = 24)

测序策略：PacBio+Hi-C

研究内容：柽柳是中国北方沿海湿地生态系统的先锋树种，具有较高的耐盐性。研究团队利用PacBio和Hi-C数据成功构建染色体水平的柽柳基因组，基因组大小为1.32 Gb，Contig N50  为11.93 Mb，BUSCO评估大小为97.4%。基因注释鉴定出26,426个高可信度的蛋白编码基因，其中24,211个(91.62%)蛋白编码基因具有已知的功能注释。系统发育分析显示，柽柳在古近纪中期约39.88±12.95 Mya发生一次WGD事件。WGD和TD的重复是植物适应性进化的关键驱动因素，基因家族扩张与收缩分析显示HAT和LIMYB基因家族成员显著扩张。HAT对植物生长发育至关重要，LIMYB作为转录抑制因子在植物抗病毒免疫中发挥作用，其它两个显著扩张的基因家族属于抗病基因。以上结果表明扩张的基因家族可能在怪柳对环境的高度适应中发挥关键作用。盐胁迫和恢复阶段的根、茎组织的转录组分析表明，在盐胁迫条件下，根和茎呈现不同的表达模式。WRKY转录因子是植物响应盐度胁迫的关键调控因子，WRKY33和WRKY40在早期受到盐胁迫时在根中高表达，并通过MAPK信号级联通路在提高柽柳耐盐性中发挥关键作用。总之，该研究组装了高质量的柽柳基因组，揭示了柽柳基因组进化特征，挖掘了柽柳耐盐关键基因，为柽柳抗盐遗传改良和抗盐基因利用提供了基础。

图2 柽柳基因组进化信息

光果龙葵基因组和效应子组学助力马铃薯晚疫病抗性基因发掘

发表期刊：Nature Genetics

研究材料：54份光果龙葵，对其中4份进行三代测序

测序策略：PacBio+Hi-C、ONT+Illumina+Hi-C、ONT+Illumina

研究内容：马铃薯晚疫病是由卵菌病原微生物致病疫霉引起的，而野生茄科植物光果龙葵(Solanum americanum)对很多病原菌具有抗性，包括P. infestans 和Ralstonia solanacearum。该研究采用PacBio+Hi-C/ONT+Illumina+Hi-C/ONT+Illumina的策略构建了4个光果龙葵株系的高质量参考基因组，并对来自世界的52份光果龙葵材料进行了重测序。4个光果龙葵株系（SP1102、SP2271、SP2273、SP2275）的基因组组装大小分别为1.07 Gb、1.13 Gb、1.02 Gb和1.02 Gb，Contig N50分别达到82.9 Mb、55.2 Mb、10.3 Mb和4.8 Mb。BUSCO完整性均为98.4%左右，表明基因组组装质量很高。基于从头预测、同源预测、转录组注释，平均预测到34,193个基因模型。系统发育分析显示光果龙葵是马铃薯和番茄共同祖先的姐妹类群，它们的分歧大约发生在1410万年前。比较光果龙葵和马铃薯的基因组，发现这两个基因组之间存在45个大的染色体重排（＞ 1 Mb），包括26个反转和19个染色体间易位事件。光果龙葵和茄子的基因组之间存在67个大的染色体重排(包括30个反转和37个染色体间易位)。

为了解NLR基因的多样性，研究团队首先对SP1102、SP2271和SP2273基因组中的528、579和524个NLR基因进行人工注释，然后利用SP1102株系的NLR蛋白的NB-ARC结构域构建系统发育树。根据系统发育分析的结果，NLR基因可被分为不同的组合，大约50%的NLR基因被归类为辅助CNL发挥功能的NRC superclade。NLR基因在SP1102株系染色体上分布不均，71%的NLR基因呈簇状分布，其余为单个分布。通过构建NRC基因的系统发育树发现光果龙葵中存在NRC1、NRC2、NRC3、NRC4a、NRC6同源基因和2个NRC5a同源基因。与本氏烟草相比，NRC4b基因在光果龙葵的基因组中扩张。该团队还利用效应子组学(Effectoromics)筛选技术，完成了315个致病疫霉RXLR类效应子与52份光果龙葵材料的ETI互作全景图，并结合这些基因型和表型数据，成功克隆三个新的NLR类植物免疫受体Rpi-amr4, R02860和R04373以及致病疫霉中对应的无毒蛋白。该研究不仅报道了光果龙葵的高质量参考基因组，还为马铃薯晚疫病抗性基因研究和克隆奠定了基础。

“Gene duplications facilitate C4-CAM compatibility in common purslane”与“Genomic analyses provide insights into the evolution and salinity adaptation of halophyte Tamarix chinensis”都是通过组装代表性物种的高质量参考基因组，然后进行比较基因组学分析将基因组特征与表型（耐旱、耐盐）有关的通路关联起来，并进行实验验证。“Solanum americanum genome-assisted discovery of immune receptors that detect potato late blight pathogen effectors”不仅报道了光果龙葵的高质量基因组，而且重新定义了其泛NLR组，并提出了光果龙葵与病原菌的ETI互作图谱。除三代测序技术以外，还结合其它技术，如抗病基因富集测序 (SMRT-RenSeq) 技术和效应子组学 (Effectoromics) 筛选技术，进行抗病相关基因的鉴定。多种技术结合加上庞大的工作量，并完整阐述了一个生物学故事，故能发表在高影响因子的期刊上。

参考文献：

[1] Wang X, Ma X, Yan G, et al. Gene duplications facilitate C4-CAM compatibility in common purslane[J]. Plant Physiology, 2023: kiad451.

[2] Liu J N, Fang H, Liang Q, et al. Genomic analyses provide insights into the evolution and salinity adaptation of halophyte Tamarix chinensis[J]. GigaScience, 2023, 12: giad053.

[3] Lin X, Jia Y, Heal R, et al. Solanum americanum genome-assisted discovery of immune receptors that detect potato late blight pathogen effectors[J]. Nature Genetics, 2023: 1-10.