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2019世界四大名刊的十篇经典基因组文章——植物篇

发布时间:2020-1-9 9:43:46阅读次数: 分享到:

        在2019年8月,我们相继与各位分享了2019年上半年动植物基因组文章发表概况(2019上半年基因组高分文章汇总——植物篇2019上半年基因组高分文章汇总——动物篇)。如今,半年过去,研究人员又先后发表了70多篇动植物基因组文章。至此,2019全年累计发表动植物基因组文章150余篇。接下来两期推文,我们从中挑选动植物基因组经典文章各5篇,来与您分享“基因组研究的热点与思路” !


Paper 1 :双星藻纲基因组

        文章题目:Genomes of Subaerial Zygnematophyceae Provide Insights into Land Plant Evolution

        发表期刊:Cell

        发表时间:2019年11月

        推荐理由:利用比较基因组学解析植物陆生化的演化机制,解析植物耐受性基因的来源,可以为植物进化与关注性状基因进行追溯,从基因组DNA层面解析物种性状产生的原因。

        研究材料:Spirogloea muscicola gen. nov.Mesotaenium endlicherianum

        测序策略:Spirogloea muscicola gen. nov(Illumina 314×);Mesotaenium endlicherianum(Illumina  412×)

        技术路线:


        研究结果:

        植物从水生到陆生的演化过程中,祖先植物陆地化(适应陆地环境的转变)是其中的重大事件之一。通过基因组测序,运用比较基因组学可为研究祖先植物陆地化提供新见解。研究者对Spirogloea muscicola gen. nov.(陆地植物最近缘的共同祖先) 和Mesotaenium endlicherianum(淡水生活)进行测序组装,其scaffold N50分别为566 Kb和448 Kb,分别注释得到27137(发生了三倍化加倍事件)和11080个基因。比较基因组学分析表明,淡水生活的Mesotaenium endlicherianum存在着许多陆生植物才有的转录因子(如与植物激素、抗旱、抗逆相关的基因家族)。作者进一步研究发现,来自土壤细菌的GRAS(与抗逆相关)和PYL(脱落酸通路中的受体因子)基因在双星藻纲植物和有胚植物共同的祖先中发生了水平基因转移事件(且发生时间与植物陆地化时间相一致),从而增加了陆生植物的生物与非生物胁迫抗性。总之,这两个双星藻纲植物基因组可为植物陆地化的分子机制研究提供重要基础。

图1  绿藻与陆地植物祖先演化示意图


Paper 2 :睡莲基因组

        文章题目:The water lily genome and the early evolution of flowering plants

        发表期刊:Nature

        发表时间:2019年12月

        推荐理由:利用基因组学和转录组学解析了睡莲的基因组特征、花发育相关ABCE基因的进化机制、早期被子植物的演化机制,为开花植物的进化和快速辐射现象提供新见解。

        研究材料:睡莲(Nymphaea colorata

        测序策略:PacBio(121.7×);Hi-C;Illumina

        技术路线:


        研究结果:

        睡莲为早期被子植物类群,是研究被子植物快速辐射的关键材料之一;睡莲分布广泛,花色、花香类型丰富,是研究早期开花植物花发育特征的模式植物。通过三代测序和Hi-C,研究者获得了高质量的蓝星睡莲基因组(Contig N50=2.1Mb);通过系统进化分析,表明睡莲和无油樟属于早期被子植物,且无油樟为最早的被子植物类群。通过两种方式(基因组结合转录组),确定了睡莲祖先发生了一次染色体加倍事件,且这种WGD由睡莲科和莼菜科共享。研究者发现相比于单、双子叶植物,睡莲中ABCE模型基因具有更加广泛的表达模式,这种模式在一些早期分化的双子叶植物、某些单子叶植物和和木兰类植物中也有发生,

研究者认为这可能代表了一种古老的ABCE模型,而后逐渐演变成核心单、双子叶中的严格的ABCE模型。研究者通过比较自然变异的白色花瓣蓝星睡莲与蓝色花瓣的转录组,发现了两个编码蓝色花瓣合成途径的关键酶。睡莲的花香有11种成分主要是萜类和脂肪酸等,其中合成倍半萜基因与单双子叶中已知基因不一样,并鉴定出脂肪酸合成关键酶。总之,该研究为对揭示被子植物起源和进化具有重大意义,为园艺植物分子遗传育种提供了重要的目标基因。

图2  睡莲中ABCE模型的表达模式


Paper 3 :扁桃基因组

        文章题目:Mutation of a bHLH transcription factor allowed almond domestication

        发表期刊:Science

        发表时间:2019年6月

        推荐理由:利用基因组学、转录组学和蛋白组学揭示了扁桃由苦变甜的机制,成功将该性状突变定位到关键基因的变化。

        研究材料:扁桃(Prunu. persica

        测序策略:PacBio;Illumina

        技术路线:


        研究结果:

        扁桃,又名巴旦杏仁,作为健康的休闲食品而备受喜爱。但在早期,扁桃不仅苦而且有害(苦扁桃仁分解释放氢氨酸),这说明扁桃的味道在驯化过程中受到了强烈的选择。研究者结合多组学数据,揭示了扁桃由苦变甜的机制。首先,运用PacBio和Illumina 测序,组装得到216Mb的扁桃基因组,其Scaffold N50 =21.8Mb;接着基于连锁标记,对F1群体大规模作图,确定5个与甜味转录因子相关的基因(bHLH1- bHLH5),而随后的功能分析验证了bHLH2的点突变(Leu至Phe)会影响PdCYP79D16和PdCYP71AN24(编码细胞色素P450)的转录表达,且编码P450的两个基因在甜杏仁和苦杏仁中存在表达差异(使得扁桃呈现甜味)。综上,扁桃在驯化过程中由苦变甜的机制正是来源于bHLH2的点突变。

图3  bHLH2 二聚体的结构变异示意图


Paper 4 :牛油果基因组

        文章题目:The avocado genome informs deep angiosperm phylogeny, highlights intro gressive hybridization, and reveals pathogen-influenced gene space adaptation

        发表期刊:PNAS

        发表时间:2019年8月

        推荐理由:利用基因组学、重测序、转录组解析了哈斯鳄梨的遗传背景、进化地位、次级代谢物的合成通路,为牛油果的系统发育和遗传改良提供参考依据。

        研究材料:牛油果(Persea americana)

        测序策略:PacBio 80×;Illumina 31×;BAC Sanger 186×

        技术路线:


        研究结果:

        牛油果(Persea americana)是一种对墨西哥农业极为重要的水果作物,且全球需求量不断增加。牛油果属于被子植物的木兰亚纲,相对于双子叶植物和单子叶植物,其在系统发育上有争议。研究者对墨西哥牛油果及美洲变种进行了测序,墨西哥牛油果基因组大小为668Mb,Scaffold N50=323kb;美洲变种Hass 基因组大小为912Mb,Contig N50=296kb。重测序分析表明,流行的哈斯鳄梨(Hass avocado)大约61%的DNA来自墨西哥品种,39%来自危地马拉品种。比较基因组分析表明牛油果在发育历史上经历了两个“多倍性”事件,整个基因组被复制,同时许多重复的基因被删除。系统进化分析表明,基于同源距离使得牛油果所在的木兰亚纲与单子叶和双子叶互为姊妹纲。来自多倍体的重复基因增加了牛油果的转录因子多样性,而串联重复则增强了牛油果的次级代谢,且牛油果利用串联重复序列基因制造化合物以抵御真菌攻击,这为了解所有牛油果的抗病性奠定了基础。

图4  牛油果的种群结构分析


Paper 5 :紫萍基因组

        文章题目:Plant evolution and environmental adaptation unveiled by long-read whole-genome sequencing of Spirodela

        发表期刊:PNAS

        发表时间:2019年9月

        推荐理由:利用基因组学、转录组、细胞生物学解析了紫萍的基因组特征、系统进化、根系结构和功能的变化、抗病基因的表达等,为水生植物进化和适应环境的研究提供新见解。

        研究材料:紫萍(Spirodela polyrhiza

        测序策略:PacBio 126×;Illumina

        技术路线:


        研究结果:

        基于PacBio测序,利用Falcon 和Canu软件,研究者构建的紫萍基因组大小为138Mb,contig N50=831kb,scaffold N50= 3.3Mb,注释得到18708个蛋白编码基因。基因家族聚类分析表明,与次生代谢物的合成和代谢相关的基因在紫萍中发生了缺失。基于单拷贝序列的系统进化分析表明,紫萍与其它陆地单子叶植物的分化时间大约是130.4~ 140.4 MYA之间。与陆生植物不同,紫萍不需要强烈依赖根系吸收营养,被液体包围的植物组织可代替根完成营养吸收,从而导致紫萍根的退化。从根组织细胞学观察、根发育相关基因挖掘和根系营养元素吸收能力研究等方面证明了紫萍的根系主要是不定根且功能发生明显的退化。此外,异于陆生植物的免疫系统,编码抗微生物肽等抗病基因串联重复扩增且组成型表达,与紫萍中24nt siRNA低水平表达相一致,从而增强了紫萍对病原体和微生物的抗性,增强了其对水生环境的适应性。

图5  紫萍基因组的根系系统学研究


总结

        纵观上述5篇典型的植物基因组文章,我们可看出,选择有价值的实验材料、构建高质量的参考基因组、讲好一个或多个生物学故事(起源进化、抗逆性、代谢物合成通路、遗传多样性等),是植物基因组文章的经典框架;结合重测序解析遗传背景,结合转录组分析差异基因的表达,可为文章框架添砖加瓦。


福利时刻

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参考文献:

[1] Cheng S, Xian W, Fu Y, et al. Genomes of Subaerial Zygnematophyceae Provide Insights into Land Plant Evolution[J]. Cell, 2019, 179(5): 1057-1067. e14.

[2] Zhang L, Chen F, Zhang X, et al. The water lily genome and the early evolution of flowering plants[J]. Nature, 2019: 1-6.

[3] Sánchez-Pérez R, Pavan S, Mazzeo R, et al. Mutation of a bHLH transcription factor allowed almond domestication[J]. Science, 2019, 364(6445): 1095-1098.

[4] Rendón-Anaya M, Ibarra-Laclette E, Bravo A M, et al. The Avocado Genome Informs Deep Angiosperm Phylogeny, Highlights Introgressive Hybridization, and Reveals Pathogen Influenced Gene Space Adaptation[J].PNAS, 2019.

[5] An D, Zhou Y, Li C, et al. Plant evolution and environmental adaptation unveiled by long-read whole-genome sequencing of Spirodela[J]. PNAS, 2019, 116(38): 18893-18899.




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