【动植物研究动态】20220515文献解读

Nature Genetics | 福建农林大学等：揭示植物基因枪介导的转基因过程及番木瓜的驯化历史

SunUp and Sunset genomes revealed impact of particle bombardment mediated transformation and domestication history in papaya

该研究破译了番木瓜转基因品种SunUp与非转基因品种Sunset高质量的基因组图谱，首次揭示了植物基因枪介导的转基因过程对基因组结构和功能的影响，以及番木瓜地理起源和驯化历史。该成果是在植物转基因过程解析方面取得的原创性突破，对深入解密植物转基因过程具有重要参考价值，对推动果树作物的基础研究以及品种改良等具有里程碑式的意义。

番木瓜是我国批准商业化种植的唯一转基因（抗环斑病毒）水果作物。在获得转基因植物的过程中，外源DNA片段是如何整合到核基因组上的？整合过程中植物基因组发生了哪些结构变异？这些结构变异对基因功能造成了哪些影响？这些科学问题仍然未知。

为克服番木瓜性染色体区域以及转基因插入区域重复序列多的困难，研究者通过使用Nanopore MinION 超长reads对两个品种的基因组进行组装，结合HiC技术最终得到组装大小为351.5Mb和350.3Mb的染色体级别的基因组。填补了之前版本中X和HSY上的缺口，HSY 区域从之前的7.8 Mb组装到9.8 Mb，X区域从5.3 Mb组装到6.0 Mb，并且在新组装的HSY和X上注释出了更多的基因，这将为深入研究性别决定区域，揭示番木瓜性别决定基因提供重要的研究基础。

通过全基因组共线性分析，研究者在SunUp品种的5号染色体上发现两个大的结构变异，一个1.6 Mb的插入和591.9 Kb的缺失，这里面几乎所有基因都是叶绿体和线粒体基因组编码基因。通过 SunUp和Sunset品种不同发育阶段的叶和花组织的表达谱分析发现：两个结构变异上的差异表达基因中只有9个基因是单拷贝基因，表明基因枪轰击介导的转基因可引起显著的基因组结构变异，但是对基因功能造成的影响非常小，这为植物基因枪轰击介导的转基因过程对基因组结构和功能的影响提供了直接的证据。

SunUp和Sunset基因组的比较分析发现转基因插入位点偏向于插入叶绿体富集区域，具有“偏好性”。推测了基因枪介导的外源基因整合到基因组的可能机制。

对分布在夏威夷、中美洲、南美洲、东南亚和中国的86份栽培品种和野生种群进行遗传多样性分析，揭示了番木瓜遗传多样性主要存在于野生种质中。基于种群遗传结构分析表明栽培番木瓜分为Solo、普通番木瓜（Common）和哥斯达黎加（Costa Rican）三个类群。番木瓜的性别、果实大小、种子萌发等是番木瓜驯化的主要特征，通过群体遗传分析在番木瓜控制果肉颜色、一些与果实糖分代谢相关的基因显著受到人工驯化。

总之，该研究通过高质量的转基因植株与其非转基因祖先的基因组之间的详细比较，首次实现了转基因过程引起的1.6 Mb 重组插入片段的单核苷酸分辨率水平的解析，揭示了基因枪轰击介导的转基因事件对基因组结构和功能的影响。番木瓜Y染色体性别决定区域的无缺口图谱将为性别决定基因的鉴定奠定坚实基础。通过番木瓜种群水平遗传分析鉴定到的人工驯化的基因将加速番木瓜分子育种的效率。

点评：很丰富的分析，故事性也较强。福建农林因为有明瑞光、唐海宝和张兴坦等老师的加持，近年发了很多有影响力的文章。

Nature Plants | 中国林科院李全梓团队联合多家单位破译蕨类植物桫椤基因组，揭示树蕨进化及树干发育的分子机制

The flying spider-monkey tree fern genome provides insights into fern evolution and arborescence

该研究基于PacBio和Illumina测序，组装了树蕨植物桫椤科的桫椤（Alsophila spinulosa）6.2 Gb大小的基因组，并利用Hi-C数据挂载到69条染色体上，这是目前蕨类植物中第一个染色体水平的基因组组装。该研究采用了多种软件进行基因组注释，其中Geta注释质量最好，共注释67,831个高信度的蛋白编码基因。基于该参考基因组，对基因组DNA甲基化、基因家族扩张收缩和全基因组复制（WGD）等进行了分析，鉴定到2次WGD事件，分别在Ks=0.3和Ks=1.5附近，导致大量重复序列的产生。

对9个群体的107个桫椤样本进行了重测序，系统发育进化树、PCA和Structure分析将它们为6个组，不同组间存在基因渐渗事件，其中云南组的桫椤具有最多的遗传变异；桫椤历史群体分析鉴定到2次瓶颈事件，爆发时间分别在35.6-34.5和2.5-0.7 MYA。

进一步研究了树蕨树干发育及木质素合成，鉴定到2个VND基因在木质部中显著上调表达，表明其可能是管胞次生壁加厚的重要调控因子。

最后对树蕨次生代谢物质的鉴定和生物合成进行研究，构建了在桫椤木质部中以苯丙氨酸为起始的合成木质素、黄酮和聚酮类化合物的代谢途径。

点评：比较基因组结合转录和代谢组是难点，要讲一个好故事，需要很强的生物学背景知识和生物信息的结合。作者又见明瑞光和张兴坦，真厉害！

Plant Journal | 中国农科院作科所周美亮团队揭示荞麦高/低芦丁不同单倍型之间芦丁合成差异的调控机制

JA-induced FtBPM3 accumulation promotes FtERF-EAR3 degradation and rutin biosynthesis in Tartary buckwheat

荞麦含有其它谷物所不具有的生物活性物质（如芦丁），目前，对芦丁的提取、分离、检测以及关键酶基因的克隆等方面研究较多，但是在芦丁生物合成遗传机制解析上还报道较少。

该研究是基于前期利用全基因组关联分析的方法，在8号染色体上鉴定到一个与芦丁代谢密切关联的重要蛋白因子FtBPM3，FtBPM3是一类CUL3-based E3 识别底物衔接蛋白，单倍型分析发现有两种主要的单倍型即单倍型A（高芦丁）和单倍型C（低芦丁），单倍型A中的FtBPM3基因表达量显著高于单倍型C， F3H是芦丁合成途径的关键限速酶>

通过对两种单倍型的F3H基因启动子比较分析，发现高芦丁单倍型A中的F3H基因表达量显著高于单倍型C，而这种表达差异主要由于单倍型A中的F3H基因启动子关键元件GCCGCC（GCC-box）被两个碱基CG插入所致。

共表达分析发现与F3H有相同表达模式的FtERF-EAR3转录抑制因子可以直接结合到GCC-box上对F3H进行调控。

蛋白互作分析证明FtBPM3可与FtERF-EAR3互作，这种互作促使FtERF-EAR3蛋白通过26S蛋白酶体降解，进而促进芦丁生物合成。

该项工作解释了高芦丁和低芦丁不同单倍型之间的芦丁合成调控存在差异，为后续高芦丁荞麦分子育种奠定了理论基础。

点评：小作物，研究两种单倍型的调控机制，能把故事说明白了也能发高水平文章。