《武汉植物园揭示了三类咖啡原种资源的基因组遗传分化》

  • 来源专题:转基因生物新品种培育
  • 编译者: 王晶静
  • 发布时间:2020-12-16
  • 咖啡树起源于非洲埃塞俄比亚西南部的高原地区,近几百年来迅速成为世界第一大饮料作物。目前主要栽培的咖啡包括小粒种(Coffea arabica)、中粒种(C. canephora)以及埃塞尔萨种(C. excelsa)等。其中,小粒种为异源四倍体,而中粒种和埃塞尔萨种为二倍体。小粒种(阿拉比卡种)在三原种中风味品质最佳,兼具香味和酸味。

    然而,主导咖啡种小粒种咖啡易受病害干扰,从而影响了品质和产量,其原因可能是其遗传多样性较低。目前,为了培育优质、抗病的小粒咖啡品种,研究者致力于将具有特殊风味物质和抗病等优异性状关联的等位基因或染色体片段从其它咖啡种导入主导种小粒种,而在全基因组范围剖析三大类咖啡遗传资源的种间遗传分化及进化关系是咖啡分子育种的关键步骤。因此,中国热带农业科学院香料饮料研究所咖啡资源育种研究团队联合中国科学院武汉植物园研究人员对引种的20多个国家的三大类群咖啡的93份核心资源进行全基因组重测序分析,找到15367960个单核苷酸多态性(SNPs)。通过种群进化、群体遗传分层分析发现三大遗传咖啡类群高度分化,小粒种与其亲本之一(中粒种)遗传类群亲缘关系较近;遗传多样性及遗传分化全基因组扫描发现,在三大类群咖啡分化过程中有部分基因在单个种进化中独立选择,有少数基因是在多个分化过程中同时受到平行选择,而这些基因所受选择可能参与了三个咖啡种的适应性进化。同时,进一步分析了已报道的与咖啡因和风味物质合成相关的基因的SNP位点在三个遗传类群分化过程中的差异,发现一些影响咖啡风味的脂类合成相关的SNPs在不同物种间表现出显著的等位基因频率偏差。该结果为咖啡优异性状候选基因挖掘、亲本选配等咖啡分子辅助育种提供理论分子依据。

    该研究结果以“Resequencing 93 accessions of coffee unveils independent and parallel selection during Coffea species divergence”为题,由中国热带农业科学院香料饮料研究所咖啡团队、中国科学院水生植物与流域生态重点实验室石涛副研究员(共同通讯,排名最后)联合发表在植物分子生物学领期刊Plant Molecular Biology。论文链接:https://link.springer.com/article/10.1007/s11103-020-00974-4。

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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。