《全基因组测序揭示番石榴维生素C合成和果实软化遗传基础》

  • 来源专题:转基因生物新品种培育
  • 编译者: 王晶静
  • 发布时间:2021-03-04
  • 番石榴(Psidium guajava)是桃金娘科的重要果树,主要产于美洲和亚洲热带及亚热带地区。它因适应性强、容易栽培,产量高,且富含维生素C(抗坏血酸)等营养物质而广受欢迎,被誉为“热带苹果”。番石榴果实是重要的天然维生素C来源,但其维生素C合成的遗传基础却少有研究。桃金娘科是植物果实类型演化研究的重要模式,兼有肉质的浆果(如番石榴)和木质的蒴果(如桉树),但它们的果实的肉质化和木质化分子机制尚不清楚。

    中国科学院华南植物园博士后冯晨、博士冯超等与广东海洋大学合作,获得了番石榴染色体级别的高质量全基因组序列,结合果实不同发育阶段的转录组和生理性状研究,鉴定了L-半乳糖途径为番石榴维生素C的主要合成途径;淀粉和细胞壁的降解共同促进番石榴果实的软化。对桃金娘科的三个全基因组测序物种(番石榴、桉树和松红梅)进行正选择基因分析,结果显示木质素合成基因在木质化果实的物种中受正选择,而淀粉合成和降解基因在肉质化果实的物种中受正选择。该研究初步解析了番石榴维生素C合成和果实软化分子机制,为番石榴的品质改良和遗传育种奠定了基础。相关研究结果发表在Plant Biotechnology Journal(《植物生物技术杂志》)上。研究工作得到中国科学院南海生态环境工程创新研究院等的资助。

  • 原文来源:http://www.cas.cn/syky/202102/t20210201_4776712.shtml
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    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:王晶静
    • 发布时间:2020-11-24
    •  板蓝(Strobilanthes cusia,又称为“南板蓝根”)具有较丰富的靛蓝色素(indigo),因此,其一直是传统的蓝色染料植物。中国科学院昆明植物研究所民族植物学团队的野外调查发现,居住在云南的少数民族“蓝靛瑶”对靛蓝的利用具有特殊的文化内涵,他们崇尚蓝色服饰,以蓝色为民族文化的主色调(图1a,b),板蓝的利用对维持蓝靛瑶传统文化具有意义。此外,靛蓝indigo(一种吲哚生物碱)具有多种药物活性,是传统中药中的重要方剂,在当今我国传统中药的现代化利用中具有前景。解析indigo物质生物合成的遗传基础,对高效利用板蓝具有重要指导意义。   近期,昆明植物所民族植物学团队研究员王雨华课题组和木本资源发掘与农林复合系统构建团队研究员刘爱忠课题组合作,开展了板蓝的精细基因组测序研究并揭示靛蓝生物合成的分子机制。研究人员结合MinION单分子测序和Hi-C测序技术,首次获得了板蓝染色体水平的精细基因组(图1c,板蓝基因组网站)。利用代谢组分析发现,靛蓝色素:靛苷(indican)、靛蓝(indigo)和靛玉红(indirubin)主要在板蓝的叶片和茎中累积。结合代谢组和转录组的关联分析发现,与靛蓝色素合成途径相关的酶基因,如细胞色素P450、UDP-葡萄糖基转移酶和β-葡萄糖苷酶(图1d),其叶和茎的变化显著。比较基因组学进一步表明了细胞色素P450和UDP-葡萄糖基转移酶基因家族经历了数量上的扩张和功能的分化。该研究揭示了板蓝累积靛蓝的分子基础。   相关研究成果以Blue genome:Chromosome-scale genome reveals the evolutionary and molecular basis of indigo biosynthesis in Strobilanthes cusia为题,发表在The plant journal杂志上。王雨华、刘爱忠为论文的共同通讯作者,昆明植物所副研究员徐伟为论文第一作者。研究论文被选为The plant journal的亮点文章,该杂志的资深编辑Alisdair R. Fernie为研究工作撰写了题为Decoding indigo:the chromosome scale genome of Strobilanthes cusia highly pigmented plant important to diverse ethnic cultures in Asia的亮点文章。
  • 《武汉植物园揭示药用植物三叶青基因组进化和黄酮类代谢物分化的遗传基础》

    • 来源专题:转基因生物新品种培育
    • 编译者:姜丽华
    • 发布时间:2023-03-08
    • 三叶崖爬藤(Tetrastigma hemsleyanum)是葡萄科崖爬藤属多年生草质藤本植物,块根或全草入药,也称三叶青。《本草纲目》记载“三叶青,性味苦、辛、凉,清热解毒、活血祛风”,现代药理研究亦证实,其在抗病毒、抗氧化、免疫调节以及抗肿瘤等方面均有疗效。目前,三叶青已被列为新“浙八味”中药材培育品种之一,是浙江省新冠肺炎一号方“化湿宣肺合剂”的主要成分。武汉植物园东亚植物演化、保护与利用学科组邱英雄研究员团队近日以“Chromosome-level reference genome of Tetrastigma hemsleyanum (Vitaceae) provides insights into genomic evolution and the biosynthesis of phenylpropanoids and flavonoids”为题在《The Plant Journal》发表了三叶青研究论文。该论文基于Illumina、PacBio long reads和Hi-C测序技术相结合的组装策略获得了三叶青高质量参考基因组,解析了其基因组进化特征;结合转录组和代谢组数据,阐明了苯丙烷-黄酮类代谢途径合成基因的重复模式及其与表达量的相关性;基于群体重测序分析,解析了黄酮类代谢产物在不同谱系分化的遗传基础。   研究结果发现,三叶青基因组大小为~2.19Gb,是葡萄属物种的4~5倍。基因组中73.43%为重复序列,其中长末端重复反转座子(LTR-RTs)占基因组的69%。三叶青和葡萄属植物同样只经历1次gamma全基因组复制事件,而LTR-RTs尤其是Copia和Gypsy家族在三叶青基因组扩张中发挥了主要原因。基因家族分析表明,三叶青特有基因家族和扩张基因家族主要与多种活性成分如黄酮类、萜类、芪类、脂肪酸、生物碱等合成有关,还有一些基因则参与植物的防御、响应环境胁迫以及昼夜节律调节等,这可能与三叶青具有较强的环境适应性有关。   为了全面解析三叶青的代谢物组成,研究团队利用LC-MS 技术对三叶青的不同组织(根、茎、叶)进行检测,共检测到941种化合物,其中黄酮类多达148种。由于黄酮类物质是三叶青的主要有效成分,研究团队结合基因组和转录组数据,通过同源比对和结构域鉴定方法解析了代谢途径中的关键酶基因家族和转录因子,重构了三叶青的苯丙烷-黄酮类合成途径。同时,我们发现通路中的大部分关键酶基因家族如PAL、CHS、CHI相比葡萄属物种发生了显著的扩张,扩张主要来源于串联重复。此外,我们还发现这些重复基因存在一致性高表达的现象,可能促进了下游代谢物的合成与积累。对来自同质园中两个谱系代表性地区(西南谱系:广西;中东部谱系:浙江)的块根进行了转录组和代谢组分析,结果显示来自浙江的三叶青块根含有更多的次生代谢产物如黄酮、多糖、萜类等。研究团队进一步对来自这两个谱系的38份样本进行了重测序和群体基因学分析,在谱系间高分化区域内鉴定到一系列与性状发育、响应外界刺激及苯丙烷-黄酮类合成途径相关的基因,可能促进了东西谱系重要表型(如块根大小、代谢产物含量)的分化。   本研究结果为探明三叶青药用活性成分的生物合成和调控机制奠定了基础,也为三叶青野生资源的引种、驯化和育种提供了指导。浙江大学博士后朱珊珊(现为宁波大学副研究员)、博士生张心怡和任超前为论文共同第一作者,中国科学院武汉植物园邱英雄研究员为论文通讯作者,浙大生科院傅承新教授、中国科学院植物所洪德元院士在项目设计与实施过程中给予了指导。研究得到浙江省十四五育种专项、浙大-杭州三叶青公司校企合作等项目的支持。