​华南农业大学园艺学院发布火龙果高质量染色体级别基因组图谱

发布者:园艺学院发布时间:2021-07-25浏览次数:11

    火龙果原产于中美洲热带沙漠地区,是石竹目(Caryophyllales)仙人掌科(Cactaceae)量天尺属(Hylocereus)或蛇鞭柱属(Selenicereus)多年生攀援性草本果树,具有结果快、采果期长、产量高、没有大小年、栽培管理容易等优点。火龙果果实营养丰富、功能独特,含有一般植物少有的植物性白蛋白、水溶性膳食纤维和甜菜素等,有解毒、润肺、明目、减肥、降低血糖、润肠等功效。火龙果的种子内含有各种酶、不饱和脂肪酸和抗氧化物质,具有抗氧化、抗自由基、抗衰老、美白皮肤等作用。火龙果花、茎均可作为蔬菜或药物,果皮可以用来提取色素用于食品添加剂。另外,火龙果花期长(4~11月)、花朵大而芳香美丽,果实大而美观,适合作为盆栽、盆景或庭院栽培观赏,也可用于建设观光采摘果园。由此可见,火龙果集“水果”、“花卉”、“蔬菜”、“保健”、“医药”为一体,具有很高经济、营养和药用价值,受到消费者和种植户的喜爱。目前,火龙果育种还处于传统育种阶段,分子育种技术尚处在基础研究阶段;品质形成和保持的生物学机制也了解有限,其主要原因之一是缺乏高质量的火龙果基因组图谱。

    近日,Horticulture Research在线发表了华南农业大学园艺学院题为A chromosome-scale genome sequence of pitaya (Hylocereus undatus) provides novel insights into the genome evolution andregulation of betalain biosynthesis的研究论文,破译了红皮白肉火龙果的基因组,达到了高质量染色体的组装水平,构建了火龙果高密度遗传图谱,筛选到43个参与火龙果甜菜素生物合成的结构基因以及可能调控它们的557个转录因子。

    该研究采用PacBio、Illumina、10× Genomics和Hi-C相结合的测序技术对红皮白肉火龙果品种‘GHB’(‘Guanhuabai’, H.undatus)进行了基因组测序和组装(图1)。组装大小为1,386.95 Mb,scaffold数为675,N50长度为127.15 Mb,contigs数为7647,N50长度为0.58 Mb。通过Hi-C技术,97.67%的序列可以锚定到11条火龙果染色体上,染色体长度97.47 Mb到146.67 Mb不等,GC含量为36.9%。BUSCO和CEGMA指数分别为93.8%和93.55%。BWA比对率和覆盖率分别为99.68%和95.20%。结果表明,‘GHB’基因组数据在染色体水平上具有较高的完整性、连续性和组装质量。

图1 火龙果的基因组特征。a. 染色体;单位为Mb;b. 基因密度;c. 串联重复序列密度;d. GC含量;中间区域为基因组共线性。


    进一步通过de novo预测、RNA-Seq和同源搜索对火龙果基因组进行预测和注释,最终得到27,753个CDS,4,989个miRNAs,4,857个tRNAs,5,909个rRNAs和3,877个snRNAs。通过比较基因组学(含火龙果在内11个物种)鉴定得到13,594基因家族,517个火龙果特有的基因家族,419个单拷贝同源基因家族。根据火龙果与菠菜基因组的共线性结果,以及甜菜、菠菜基因组的4dTv分析结果,火龙果、甜菜、菠菜最早发生了一次WGT事件(石竹目从拟南芥中分离出来),随后发生了一次近期的WGD事件(火龙果从石竹目中分离出来)。利用419个单拷贝同源基因家族构建进化树,推测石竹目从拟南芥中分离出来时间约为118.2 Mya,火龙果与石竹目的分离时间约为65.3 Mya。

    甜菜素是类似花色素的一种重要的植物次生代谢物质,在植物中不仅起呈色的作用,而且在植物适应逆境的过程中发挥着重要作用。火龙果果皮和果肉呈现不同的颜色,主要来源于甜菜素的合成和积累。本论文以203个‘GHB’× ‘DaHong’(红皮红肉火龙果)F1杂交群体为材料,构建了火龙果高密度遗传图谱,得到20,872 bin markers(56,380 SNPs),可用于后续的QTL分析。以‘GHB’和‘GHH’(红皮红肉火龙果)火龙果为材料进行转录组测序,筛选到43个参与火龙果甜菜素生物合成的结构基因,包括3个ADHs、11个CYP76AD1s、5个TYRs、6个DDCs、3个DODAs、2个cDOPA5GTs、8个B5GTs和5个B6GTs(图2)。WGCNA分析差异表达基因(DEGs)发现其共富集为23个模块,三个模块lightcyan(0.73)、grey60(0.72)、blue(0.69)模块中145、112、825个基因的表达趋势与甜菜素在果实生长发育的含量变化存在较高的相关系数;557个转录因子与43个结构基因存在共表达,其中MYB、bHLH、AP2-EREBP和HB基因家族数量占比最多。

图2 火龙果甜菜素的生物合成通路。A. ‘GHB’和‘GHH’火龙果果肉;B. ‘GHB’和‘GHH’火龙果果肉甜菜素含量;C. 甜菜素生物合成通路中结构基因的表达水平。


    综上所述,该研究利用PacBio、Illumina、10× Genomics和Hi-C相结合的测序技术对红皮白肉火龙果基因组进行了De nove测序,获得了高质量的染色体级别基因组图谱,为火龙果的遗传研究和分子育种提供了重要的理论基础。

    华南农业大学园艺学院陈建业教授、谢芳芳博士和诺禾致源崔彦泽为该论文的共同第一作者,华南农业大学园艺学院秦永华教授、胡桂兵教授和广东省农业科学院果树研究所孙清明研究员为论文的通讯作者。该项目受到了中国国家自然科学基金(31972367和31960578)、广州市科学研究计划重点项目(201904020015)和广东省重点领域研发计划(2018B020202011)的资助。


文章链接:https://www.nature.com/articles/s41438-021-00612-0


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