山核桃的基因组测序

题目：The genomes of pecan and Chinese hickory provide insights into Carya evolution and nut nutrition

作者：肖力宏 黄见钦

单位：浙江农林大学

文章地址：https://academic.oup.com/gigascience/article/8/5/giz036/5484800

主要内容：利用二代和三代测序技术对美国山核桃和中国山核桃的的两个品种完成基因组组装，美国山核桃pecan基因组大小为 651.31 Mb、中国山核桃Chinese hickory基因组大小为 706.43 Mb ，并探讨了山核桃的进化过程。

背景知识：

胡桃科Juglandaceae有大约60个物种，主要包含波斯核桃Persian walnut、美国山核桃pecan、中国山核桃Chinese hickory、黑核桃black walnut 四大类。其中山核桃Carya在洲际间离散分布大约20个物种，主要分布于美洲东北部ENA和东亚地区EA。山核桃具有非常的商业价值和营养价值，目前NCGR-Carya具有超过400份美国山核桃的种质资源，中国山核桃是天目山特有的品种。由于中国山核桃嫩芽缺乏芽鞘的保护不具有耐寒性，果实小、果壳硬、抗逆性差，目前美国山核桃在市场占有绝对的优势。本研究测序的品种为美国山核桃Pawnee和中国山核桃ZAFU-1。

基因组组装

提取美国山核桃和中国山核桃叶片DNA，利用HiSeq X-Ten和PacBio获得187 和 178 Gb的数据。利用CEGMA和BUSCO V评估基因的覆盖度。获得高质量的组装基因组。

山核桃基因组组装

基因组注释

山核桃的平均转录本长度分别为4,223 bp (Pawnee) 和 4,313 bp (ZAFU-1)普遍长于其他参考基因组。山核桃中存在>50%的重复序列，其中约85%都是TE，TE中LTR类型的TE占很大的比例。作者又分析了microRNA、tRNA、rRNA的含量，其中ZAFU-1中含有更多的snRNA，可能与核桃的抗性差异有关。

进化历史

利用14个物种的蛋白文件过滤筛选最终获得170个单拷贝蛋白序列，多序列比对使用MUSCLE。RAxML构建系统发育树，进而利用PAML的MCMCtree推断物种分化时间。物种的化石记录来源于TimeTree 数据库。通过进化分析，估计了核桃的分化时间，结合化石记录推测山核桃的种群历史动态。

物种分化时间

4DTv估计物种分化时间和如何进行共线性分析

4DTv是指4倍同义突变位点中的颠换所占的比例，用来描述重要的物种分化事件，利用直系同源基因检测物种分化时间（高峰）、利用旁系同源基因检测基因组的复制时间（高峰）。

推测物种形成时间和共线性分析

差异表达基因

分析山核桃胚发育的三个时期的转录组进行差异表达基因分析，进一步对上条和下调基因进行GO富集分析。

油分是核桃重要的表型，与其他物种相比，中国山核桃有更多的油分基因拷贝。1.油分和脂肪酸代谢的基因家族在山核桃中扩张；2.多酚类抗氧化化合物3.CHS 、 LAR、WRKY转录因子基因家族在山核桃中扩张4.10种氨基酸合成有关的基因在核桃中具有较高的基因拷贝。5。维生素B1合成有关的基因。

讨论

山核桃的种群动态历史，从美洲东北部通过北大西洋陆地桥扩散到欧洲，进而扩散到东亚地区，由于冰期到来欧洲的山核桃灭绝，东亚和美洲东北部的核桃分别独自进化。

美国山核桃和中国山核桃的适应性进化。美国山核桃基因家族的扩张主要集中在氧胁迫和非生物逆境的基因家族、中国山核桃的基因家族扩张主要集中在病原微生物的互作。

通过分析ABA、LEA 蛋白、抗氧化酶类、R基因家族的变化。R基因和LEA蛋白的扩张可能与木本植物的抗逆性的提高有关。R基因在美国山核桃中具有更高的拷贝，反映了美国山核桃具有更好的抗逆性。

LEA蛋白不但能够提高核桃的抗逆性，也是核桃的营养价值的重要成分。