首個買麻藤基因組發表Nature系列文章

最新 02-06

深圳中國科學院仙湖植物園攜手諾禾致源、中國科學院中—非聯合研究中心等機構在買麻藤基因組測序中取得重要進展，相關成果於2018年1月29日發表於Nature Plants期刊。深圳中國科學院仙湖植物園的副研究員萬濤博士和諾禾致源的生物信息項目主管劉志明等為共同一作，中國科學院中—非聯合研究中心王青鋒研究員和諾禾致源的生物信息技術總監張錦波等為本文的共同通訊作者。

研究背景

全世界範圍分布超過35萬餘種的種子植物，包含銀杏類、蘇鐵類、松柏類、買麻藤類和被子植物五大類，買麻藤Gnetum montanum是現存裸子植物中唯一的藤本植物，具有被子植物相關特性，系統進化地位特殊，不同假說層出不窮，迄今仍未有定論，號稱百年之爭。諾禾致源和仙湖植物園針對4.2G的高雜合、高重複基因組升級了基因組組裝軟體，成功繪製了第一個買麻藤高質量的基因組精細圖譜。同時與其他已經發表的被子植物和裸子植物基因組進行基因組學比較分析，為人類重新理解早期種子植物演化及適應歷史提供新的視角。

本研究以G.montanum為研究對象，通過構建不同類型的文庫(180bp, 300bp, 500bp, 2k, 5k, 10k 和10-20k)，基於Illumina Hiseq測序平台進行測序，從基因組學、比較基因組學、轉錄組學等角度揭示了買麻藤的獨特性。

研究內容

基因組組裝和注釋

買麻藤的基因組大小流式估計4.2G, k-mer分析為4. 11G。本文組裝出了4.07G的序列,預測了27,491個蛋白編碼基因。BUSCO評估有81%的完整性，其他已經報道的裸子植物基因組最高值只有61%。

重複序列研究

已經發表的裸子植物基因組，包括針葉樹和銀杏，均顯示是由於這些物種缺乏有效的重複序列去除機制和長期的古老重複序列積累，特別是LTR-RTs序列，造就了它們龐大的基因組。跟其他裸子植物一樣，買麻藤的基因組的重複序列比例很高，主要成分LTR-RTs佔了77.4%。通過solo LTR和intact LTR的比例分析，買麻藤的這一比例顯著高於其他裸子植物，顯示買麻藤保留著有效的LTR-RTs消除機制。無油樟基因組被證明保留著許多早期被子植物祖先基因組的古老特徵，它的重複序列進化模式跟其他的被子植物有著顯著的區別：保留著古老的重複序列，沒有近期的LTR-RTs插入，有效的重複序列消除機制。買麻藤和無油樟擁有相同的重複序列進化模式，這種模式顯著區別於其他裸子植物和被子植物。

內含子多態性研究

在真核生物中，它們的內含子的長度是跟基因組大小成正比的，然而我們的分析顯示該結論在種子植物基因組中不能廣泛適用。之前有研究報道銀杏和針葉樹的內含子比被子植物長 (圖1a)，可能是由於LTR-RTs長期穩定擴增造成的，其中LTR-RTs在火炬松和銀杏中占長內含子序列的51％和59％。分析買麻藤的內含子，發現它的內含子比火炬松和銀杏的短 (圖1a)。比較無油樟和買麻藤的內含子，發現它們之間有一些相似性，都有豐富的LINEs (圖1e)，與其他裸子植物相比關係更近。

圖1 種子植物內含子多態性比較分析

a.9個代表性種子植物的內含子長度和基因組大小；b.無油樟、買麻藤、火炬松和銀杏內含子中4種TEs的序列差異分布；c.d.e直系同源內含子的比較

全基因組重複事件(WGD)

之前有報道稱所有種子植物都至少經歷了一次古代WGD事件，在許多被子植物的譜系中，WGD事件是反覆和持續的。在裸子植物中，針葉樹、銀杏和蘇鐵中發生過WGDs。但是對於買麻藤類植物，買麻藤和麻黃都無法檢測到WGD事件的信號，儘管麻黃存在廣泛的多倍化事件，而對於百歲蘭，分析顯示它與麻黃、買麻藤分化之後經歷了一次特有的WGD事件，這與之前的報道一致。如果所有的種子植物都經歷了古代WGD事件，在買麻藤中沒有信號表明發生過可能是因為與其他裸子植物相比它的基因進化速度比較快，從而導致在300百萬年的進化過程中這些信號逐漸被消除。

功能蛋白構成進化的研究

為了了解陸生植物基因功能多樣化進化的模式，我們在多個物種中使用主成分分析(PCA) 來分析 pfam 區域的數量，結果顯示被子植物與裸子植物分離，形成了一個離散的簇 (圖2a)，而對於裸子植物，除了買麻藤，其他的裸子植物同樣聚在了一起。與其他種子植物不一樣，分離出來的買麻藤與江南卷柏和小立碗蘚形成一個進化枝(圖2b)，而非買麻藤綱的裸子植物形成了一個分離的分支 (圖2b)。說明買麻藤保留著古老的種子植物祖先功能基因集合的狀態，並未發生劇烈的家族擴張和收縮。