《昆明植物所利用基因组揭示板蓝靛蓝生物合成的遗传基础》

  • 来源专题:转基因生物新品种培育
  • 编译者: 王晶静
  • 发布时间: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。

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  • 《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。
  • 《昆明植物所揭示栽培苎麻野化的遗传变异和环境适应机制》

    • 来源专题:生物育种
    • 编译者:季雪婧
    • 发布时间:2024-05-22
    •     驯化(Domestication)是指经过人为干预对野生物种某些可利用的性状进行选择、修饰和利用的过程。驯化作为农耕文明史上一个重要的转折点,使人类从纯粹的食物搜集者转变为食物生产者,实现了从被动适应自然到有目的地改造自然的重要转变,对人类文明发展有着深远的影响。而野化(Feralization)是指经过人工驯化的栽培作物通过摆脱集约化管理回到自然环境中形成独立的繁殖种群,并重新获得一些类似野生特征的过程。野化作为作物驯化后新的演化进程具有重要的研究意义。一方面,一些作物(如水稻、小麦)在农田生态系统中野化后易成为田间恶性杂草,一跃成为作物的有力竞争者,严重影响作物的生长和产量,有的野化作物逃逸到非农田生态系统后甚至能成为入侵种,严重威胁生态安全;另一方面,作物野化后产生新的环境适应性,这不但可以为作物育种,尤其是为作物的从头驯化提供难能可贵的基因资源,而且可以为研究植物如何快速适应新生境提供新的研究载体。虽然野化在作物驯化后广泛存在,但是目前人们对作物进化的研究大多集中于驯化过程和历史,对作物野化的分子机制研究较少。据报道目前有14种植物运用分子生物学手段开展了野化研究,仅有4个案例提供了基因组学证据,且缺乏野化作物的环境适应机制研究。     中国科学院昆明植物研究所李德铢研究团队多年来从不同分类学尺度(科级、属级、种级)、用不同遗传标记(DNA片段、质体基因组、全基因组)对蔷薇目荨麻科(Urticaceae)植物进行了深入的研究。最近,该团队依托中国西南野生生物种质资源库和云南省作物野生近缘种现代组学重点实验室(筹),通过与中国农业科学院麻类作物研究所、中国科学院西双版纳热带植物园,英国南安普顿大学、爱丁堡大学、皇家植物园邱园,以及加拿大多伦多大学等单位合作,选择荨麻科有“中国草(China grass)”之称的植物——苎麻(Boehmeria nivea)为研究对象,综合运用形态学、地理信息学、群体基因组学、生态学等多学科的研究方法,系统阐述了栽培苎麻中广泛存在的野化现象,深入解析了野化苎麻的遗传变异及其环境适应机制。     苎麻(Boehmeria nivea),又名“中国草(China grass)”,是荨麻科一种古老的纤维作物,素有“天然纤维之王”的美誉,在中国有悠久的栽培历史,公元前6世纪春秋中叶的《诗经·陈风·东门之池》中就有“东门之池,可以沤麻”和?“东门之池,可以沤紵”的诗句,是古籍中关于苎麻最早的文字记载。中国古代苎麻的成品一直是奢侈的高贵织物,如湖南、江西两省的“夏布”,均享誉海内外,它“轻如蝉翼,薄如宣纸,平如水镜,细如罗绢”,曾被历代列为贡布,成为皇室和达官贵族喜爱的珍品,蜚声海内外。在20世纪90年代,全世界超过95%的苎麻种植在我国,我国苎麻的种植面积和原料产量均居世界第一,因此,苎麻在国民经济中曾占有举足轻重的地位。自从市场竞争力极强的棉花传入中国后,许多栽培苎麻品种逐渐被人们放弃,这些被放弃的苎麻摆脱了人工集约管理,从而导致了野化的发生。此外,苎麻的种子微小(时常<1mm),且种皮边缘呈薄翅状,因此,极易借助风力进行扩散,使得田间的苎麻品种极易逃离人工控制、易于扩散到自然环境中发生野化。因此苎麻是研究作物野化形成和维持机制的理想材料。 研究团队通过对全球23个国家的广泛采样,共收集到苎麻915份材料,包含了野生苎麻、野化苎麻和栽培苎麻,中国的取样涵盖了苎麻分布的19个省区。研究团队获得了野化苎麻的高质量基因组,基因组大小为294 Mb。通过与栽培苎麻的基因组比较分析后发现,两者不但有高度的共线性,同时也有相当多的基因组变异,且变异在染色体上的分布并不均匀。在此基础上,对915个苎麻个体进行了基因组重测序,平均测序深度为31.4 X,共获得了8,035,826?个高质量的单核苷酸多态性位点(SNPs)。群体基因组学的分析显示苎麻可以分成明显的三个分支,位于基部的是野生苎麻,野化苎麻和栽培苎麻形成了姐妹群关系。群体动态和多样化历史分析结果表明,野化苎麻起源于野生苎麻和栽培苎麻的杂交,栽培苎麻在3200-4000年前发生了严重的瓶颈效应,这暗示在此期间苎麻发生了集中驯化。选择性清除分析发现,野化苎麻中受选择的区域与栽培苎麻明显不同,前者受选择的区域基因功能主要集中在环境适应方面,而后者受选择的基因功能主要是促进植株生长发育及抗虫抗病方面。对三种类型的苎麻开展生态位分化分析的结果发现野化苎麻有自己特定的生态位,并且与野生苎麻的生态位分化最明显,而与栽培苎麻的生态位分化次之。此外,发现影响野化苎麻分布的3个关键生态因子,分别是最潮湿季节的平均气温、最干旱月份的降水、以及土壤的总氮含量。通过基因组-环境关联分析(genome-environment association,GEA),在基因组上找到了与这3个生态因子关联的8个区域。对野化苎麻开展了潜在分布区模拟,结果显示在未来气候情境下,野化苎麻的分布区较为稳定,预示入侵风险较低。     综上所述,该研究运用多学科交叉的方法,揭示了苎麻野化后的遗传变化,明确了野化苎麻在新生境中遗传、生态位水平与野生苎麻和栽培苎麻均发生了特异性变化,表明苎麻野化并非简单的返祖,而是有其独特的环境适应机制。该研究为作物野化研究提供了新视角,对苎麻资源利用以及野化苎麻的入侵风险预估具有重要意义。     近日,这一成果以Genomic variation,environmental adaptation and feralization in ramie,an ancient fiber crop为题在线发表在植物学国际期刊Plant Communications。中国科学院昆明植物研究所吴增源副研究员为论文第一作者,昆明植物研究所刘杰副研究员、中国农业科学院麻类作物研究所栾明宝研究员和昆明植物研究所李德铢研究员为论文通讯作者。研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(XDB31000000)、国家自然科学基金(42171071,31970356,41971071,32170398)、中国科学院青年创新促进会会员(2019385)、云南省青年拔尖人才(YNWR518QNBJ-2020-293,YNWR-QNBJ -2018-146)和中国科学院“西部之光”等项目的资助。