基因组联合代谢组与转录组锁定关键通路--03

案例三

研究背景

    构树（Broussonetia papyrifera, 2n=2x=26)属于桑科(Moraceae)构属(Broussonetia)多年生乔木，是我国乡土树种和先锋植物，有悠久的历史和文化，因为蔡伦用它造纸而世界闻名。构树的树皮和树干是造纸的优质原料，树叶还可以作为蛋白饲料，其根、茎、叶、果实及种子均可入药，富含黄酮类化合物；还是尾矿处理、生态绿化的理想树种。然而，全基因组测序工作还未幵展。本研究利用最新的测序技术，成功构建了高质量的构树全基因组图谱，为进一步改良构树的农艺性状奠定了基础。

方法流程

研究结果

构树基因组图谱绘制

    使用Illumina HiSeq和PacBio Sequel测序平台，用Hi-C、光学(BioNano Irys)和遗传图谱辅助，组装出高质量的构树基因组图谱。其大小为386.93 Mb, Contig N50为171.17 kb, scaffold N50>29.48 Mb,有99.25%(357.56 Mb)的基因组被锚定在13条染色体上。基因组注释结果显小，构树共有30,512个基因。

基因组进化分析

    通过比较无油樟、苜蓿、桑树、桃树、葡萄等14 个物种的基因组序列，估算出构树在大约3100万年前与桑树分开，与桃子的分化时间在大约7800万年前。进化推演分析表明，构树的染色体是从桑科的12条始祖染色体经27次融合和28次裂变重构形成13对染色体(图1)。

图1 购书染色体重构

比较基因组分析

    分析发现构树与桑树分化之后，有431个基因家族扩张,230个基因家族收缩，表明在适应进化过程中，构树中更多的基因家族经历了扩张而不是收缩。另外，与苜蓿、毛杨和甜橙相比，转录因子发生明显收缩(58个家族共1,342个转录因子，占蛋白编码基因的4.4%) 。

黄酮类和木质素生物合成遗传基础

    研究表明,木质素含量及其单体组成是影响制浆和造纸的主要因素，尤其是紫丁香基木质素。而F5H或COMT的遗传调控能严重影响紫丁香基木质素的合成，COMT的破坏可导致木质素单体S的严重减少，并伴随着不寻常的5-OH木质素单体G的进入。

    分析发现黄酮合成途径基因家族明显扩张，而木质素合成基因家族收缩明显。构树木质素含量的减少以及木质素单体比例S/G值的提高，使得构树皮和杆中的木质素容易降解适于造纸，也使得构树易于动物消化，成为饲料原料(图2)。

图2 苯丙烷代谢途径

构树与微生物的共同进化和相互作用

    宏基因组数据显示，构树的共生细菌主要为假单胞菌和根瘤菌,与豆科植物较为相似。构树黄酮是主要的药效 成分，更重要的是，黄酮还是植物共生微生物的信号分子。黄酮合成的增强非常有利于募集共生微生物，为构树的快速生长提供充足的氮素等营养元素。这也表明构树黄酮合成的增强与构树粗蛋白含量高有直接联系。由于木质素和黄酮具有共同的合成前体，构树通过基因家族的进化，在缩减木质素合成并调控木质素单体比例的同时，增强了黄酮 的合成，与根瘤菌等形成共生关系。

总结

    本研究用最新测序技术，结合光学图谱，Hi-C测序和高密度遗传图谱,成功构建了高质量的构树全基因组谱图， 达到了准染色体水平的组装，为进一步改良构树的农艺性状奠定了基础；比较基因组学揭示了构树的进化历史；对构树的纤维发育、木质素和黄铜代谢等的研究揭示了构树用于造纸、入药和饲料养殖的遗传基础，为进一步改良构 树的农艺性状奠定基础。

参考文献