基因组联合代谢组与转录组锁定关键通路--02

案例二

 研究背景

香蕉广泛分布于热带和亚热带地区，是数百万人的主食和水果，是一种重要的食物资源，具有重要的社会经济和生态作用。香蕉栽培种(Musa ssp.)是二倍体、三倍体和四倍体的杂交种，源自于Musa acuminata(A 基因组)和Musa balbisiana（B基因组)。虽然A基因组是香蕉遗传改良的关键一步，但缺乏高质量的B基因组序列极大地阻碍了香蕉种质的鉴定和分子育种。本研究测序组装了香蕉B基因组，通过比较B和A基因组，研究了多倍体香蕉的亚基因组进化、遗传多样性和亚基因组的功能差异。并且通过本研究了解了香蕉果实成熟过程的演变和调控。

方法流程

研究结果

基因组组装

    利用PacBio(113x), Illumina PE、MP(166x)以及Hi-C(138x) 对香蕉DH-PKW进行了基因组的测序组装，获得了高质量的香蕉B 基因组图谱。其大小为492.77 Mb, contig N50为1.83 Mb, scaffold N50为5.05 Mb,覆盖了基因组大小(k-mer)的95%。其中430 Mb(87.27%) 的组装结果被锚定到了11条染色体上。基因组注释结果显示，香蕉B基因组共有35148个蛋白编码基因。

香蕉A、B基因组的比较研究

通过比较基因组学分析表明香蕉A和B基因组的分化时间约为5.4 MYA，其共同祖先大于在134 MYA从Poaceae分化出来。早期研究发现，Musa谱系中发生过WGD事件。在多倍化和分化之后，A和B亚基因组开始独立的进化。作者从三个层面进行了比较分析，最终结果表明，与A基因组相比，B基因组的基因家族表现出更少的扩增和更多的收缩，较少的同源覆盖率和祖先blocks中较高的singleton率，使得B基因组在分化后比A基因组的分级进化更敏感。

图1 A和B亚基因组染色体的特征

遗传多样性及亚基因组功能分化研究

    多倍体物种通常表现出旺盛的生长，包括高质量的生产和高适应度。通过对5个三倍体及4个二倍体香蕉进行重测序以研究他们的遗传多样性。将重测序数据与A和B亚基因组分别比对，结果表明在大多数情况下，基于基因组构成的分类结果与基于形态学特征的分类结果一致。

    对M.acuminata和M.balbisiana基因家族扩增和收缩分析表明，在A基因组中有83个基因家族显著扩增，而在B基因组中收缩，这些基因家族与植物病原体相互作用，糖鞘脂生物合成-神经节系列和糖胺聚糖降解途径等相关；同时，33个基因家族在B基因组中显著扩增，而在A基因组中收缩，这些则涉及光合作用，代谢途径和核糖体相关。这表明A和B基因组在进化过程中具有功能分化性差异。

图2 3个异源三倍体香蕉的覆盖深度和基因组结构总览 

图3 乙烯生物合成途径

果实成熟的演变和调控研究

    乙烯在果实成熟后采收调控中起关键作用，S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAMS)、1-氨基环丙烷-1-羧酸合成酶(ACS)和ACO在乙烯生物合成途径中其核心作用。相比于其他7个植物，作者在A基因组中鉴定到了12 SAMS, 11 ACS和11 ACO基因，在B基因组中鉴定到了10 SAMS, 11 ACS和18 ACO基因存在显著扩增，并对其中的28对同源基因进行了深入分析。部分基因对在B亚基因组中表现出同源性表达优势。这些基因在不同组织中的优势表达可能与乙烯生物合成的基本作用有关。同时还发现相比于A基因组ACO 家族在B基因组中进行了扩张，通过对不同果实成熟阶段的香蕉的转录组数据进行分析，表明ACO基因在B基因组中的扩展和进化有助于组织发育和果实成熟。同样的，淀粉代谢途径基因也存在显著扩增，并偏向于B基因组表达。

总结

本研究利用二代+三代+Hi-C的测序技术，成功构建了高质量的香蕉B基因组的图谱，为进一步改良香蕉的农艺性状奠定了基础。香蕉A、B基因组的比较分析揭示了A、B基因组的分化特点；重测序数据分析，揭示了香蕉的遗传多样性及亚基因组功能分化；基于香蕉的基因扩增和表达模式的研究发现了果实成熟的演变和调控特征。基于这些研究结果，将有助于香蕉新品种的育种策略。

参考文献