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周惠娟博士在黑胡桃基因組學(xué)和抗病及油脂代謝基因研究方面取得新進(jìn)展
近日，陜西省科學(xué)院西安植物園新引進(jìn)的“秦嶺百人”青年拔尖人才周惠娟博士以第一作者身份在植物學(xué)和園藝學(xué)國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《Horticulture Research》(IF=7.29，中科院一區(qū)top)在線發(fā)表了題為“Pan-genome and transcriptome analyses provide insights into genomic variation and differential gene expression profiles related to disease resistance and fatty acid biosynthesis in eastern black walnut(Juglans nigra)”的研究論文。
黑胡桃(Juglans nigra，2n=32)隸屬于胡桃科胡桃屬，為重要的木本經(jīng)濟(jì)樹(shù)種。黑胡桃也稱為東部黑胡桃(eastern black walnut, EBW)，其木材質(zhì)量高可作為優(yōu)質(zhì)家具等工業(yè)材料，果實(shí)油脂蛋白含量高且營(yíng)養(yǎng)豐富，該樹(shù)種也作為栽培核桃(Juglans regia)砧木的重要資源。該課題組基于前期研究基礎(chǔ)，利用二代測(cè)序、三代測(cè)序、Hi-C測(cè)序、不同組織三代全轉(zhuǎn)錄組學(xué)及二代轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序組裝提升并得到了黑胡桃的高質(zhì)量染色體水平基因組：全基因組大小為540.8 Mb，共注釋得到29,506個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，scaffold N50值為35.1 Mb，99.0%掛載到了16條染色體上。課題組基于組裝注釋的高質(zhì)量染色體水平黑胡桃基因組為參考，通過(guò)對(duì)黑胡桃組(Section Rhysocaryon)植物74個(gè)個(gè)體進(jìn)行重測(cè)序，動(dòng)態(tài)歷史分析揭示了黑胡桃有效種群大小在氣候冰期間迅速減少。比較基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)了黑胡桃、小果胡桃(Juglans microcarpa)和核桃三個(gè)染色體水平基因組之間的共線區(qū)較高，但三個(gè)基因組之間存在600 kb以上的遺傳變異倒置區(qū)域。與小果胡桃和核桃基因組相比，黑胡桃基因組中插入缺失(InDels)總片段大小分別為18.3 Mb和34.9 Mb。注釋結(jié)果表明了這些差異基因主要包含五三肽重復(fù)序列(PPR)、脂肪酸去飽和酶(FAD)和富含亮氨酸重復(fù)序列(LRR)基因家族。
圖1 黑胡桃染色體水平基因組特征及重測(cè)序分析
該研究進(jìn)一步通過(guò)對(duì)黑胡桃開(kāi)花后(days after flowering, DAF)果實(shí)三個(gè)發(fā)育時(shí)期(DAF80、DAF111和DAF140)的果皮、內(nèi)果皮(果殼)和胚三個(gè)生物學(xué)重復(fù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了黑胡桃三個(gè)時(shí)期在油脂代謝通路中的差異基因表達(dá)水平(differential expressed genes，DEGs)，揭示了油脂合成代謝通路中FAD(FATTY ACID DESATURASE)和OLE (OLEOSIN)扮演著重要角色。
研究者還以黑胡桃和核桃染色體水平基因組為參考，分別鑒定了兩個(gè)物種基因組中的抗病相關(guān)NBS-LRR基因家族，兩者數(shù)量存在差異。發(fā)現(xiàn)了黑胡桃和核桃NBS-LRR基因在第3、4、6、7、11、15號(hào)染色體上共線性高;核桃第3、4、6、7號(hào)染色體共線性區(qū)域NBS-LRR基因成簇存在，而黑胡桃NBS-LRR基因整體呈現(xiàn)均勻分布在16條染色體上，成簇現(xiàn)象不明顯。同源序列表達(dá)模式發(fā)現(xiàn)了黑胡桃JnNBS-LRR121、JnNBS-LRR122、JnNBS-LRR126、JnNBS-LRR222和JnNBS-LRR157這5個(gè)基因在抗病果實(shí)中的不同處理下表達(dá)水平均上調(diào)，而與黑胡桃同源的5個(gè)核桃NBS-LRR基因簇在抗病果實(shí)中表達(dá)水平并沒(méi)有上調(diào)，說(shuō)明了NBS-LRR基因在兩個(gè)物種果的抗病方面的表達(dá)水平有差異。
圖2 黑胡桃和核桃抗病相關(guān)基因NBS-LRR基因比較和表達(dá)模式
該研究組以黑胡桃為主要研究對(duì)象，對(duì)黑胡桃進(jìn)行了高質(zhì)量染色體水平基因組組裝注釋，揭示了黑胡桃物種群體動(dòng)態(tài)歷史，通過(guò)泛基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)了黑胡桃基因組層面遺傳變異，并分析了抗病相關(guān)基因家族NBS-LRR演化和表達(dá)模式，闡明了黑胡桃油脂合成代謝通路差異表達(dá)基因，為黑胡桃基因組學(xué)和分子育種提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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