基因组联合代谢组与转录组锁定关键通路--01

技术介绍

    代谢组能更有效地揭示生物学过程及其生化、分子机理。差异积累的代谢物信息将辅助众多基因进行“共表达”分析，揭示基因功能，并将基因与表型关联起来。转录组和代谢组可以从大量转录组信息中发掘 差异基因，快速判断核心调控网络和关键候选基因，阐述生物学机理。基因组结合转录组及代谢组，将系统 的锁定关键通路中的基因和代谢物。

技术路线

 适用范围

案例一

研究背景

    榕树是热带和亚热带植物，他们的气生根沿着寄主树木的树干下降到土壤中，使许多榕树物种能够像半附生植物一样生活。细叶榕(ficus microcarpa)、对叶榕(ficus hispida)分别代表了两种不同的生长形式：雌性同株/半 附生和雌雄异株/非附生。不同的榕树与其传粉蜂形成了专性互利共生关系。高质量基因组为研究气生根基因、雌性同株和雌雄异株以及共生系统中的共分化提供了深入的见解和基因组资源。

方法流程

研究结果

（1）细叶榕完成426 Mb 基因组组装(97.7%), contigN50=908 Kb, BUSCO评估为95.6%；并通过ALLHiC 将423 Mb基因组挂载至13条染色体上。注释29,416个蛋白编码基因；

（2）对叶榕最终组装360Mb基因组(97.3%), contigN50= 492 kb, BUSCO评估为97.4%；并通过ALLHiC将359 Mb基因组挂载至14条染色体上，与高密度遗传图谱具有高度一致性；

（3）K-mer评估显示榕小蜂(Eupristina verticillata)具有较高杂合(1.1%)最终组装387 Mb 基因组(预估382 Mb), contig N50=3.1 Mb, BUSCO评估为97.7%(表1)。

    将细叶榕的传粉小蜂E.verticillata与对叶榕的传粉小蜂Ceratosolen solmsi基因组比对发现两者的分化时间~41.5 Mya,与细叶榕和对叶榕的预估分化时间非常相近(〜40 Mya)。两种榕树基因组比较发现有大量结构变异。

表1细叶榕、对叶榕及榕小蜂基因组组装及评估结果

与细叶榕气生根发育相关的基因的扩増以及对叶榕性别决定

    细叶榕与对叶榕显著差异表现为前者有气生根而后者没有，为了寻找触发气生根的途径，作者在气生根尖鉴定到811个高表达基因。这些高表达的基因在一系列与运输相关的生物过程中显著富集。通过对PIN家族的系统发育分析，发现PINI基因存在显著的拷贝数变异(CNV),并确定了两个进化的PINI亚群。通过RNA-seq研究找寻了气生根样品中高表达的基因，结合内源生长素浓度比对，说明生长素的增加引发了气生根的发育，光促进的生长素依赖途径与气生根的发生、生长和形态形成有关。

    为了研究对叶榕的性别决定基因，作者通过超高密度遗传图谱及对X、Y染色体的重新组装，鉴定出雄性特有的AGAMOUS旁系同源物FhAG2,为对叶榕中的性别决定基因的候选基因。

图1 细叶榕气生根发育的遗传基础

榕树属植物的起源与演化

    利用112份榕树材料的进行重测序，通过进化树、ADMIX-TURE、遗传相关性分析及ABBA-BABA分析发现了整个属存在潜在广泛的种间杂交。系统发育揭示了雌雄同株代表了整个属的祖先繁殖系统。分化时间显示，始新世时期(约47.5 Mya)出现了雌雄同株和雌雄异株的分化。

榕树亚属Sycomorus与其传粉蜂共分化的基因组特征

    利用14种榕树和其相应传粉蜂的重测序数据进行分析，显示在榕果和传粉蜂中生长相关的基因、榕果挥发物相关基因和传粉蜂化学感应系统相关基因受到一定的选择作用。并通过质谱检测三种不同榕果释放挥发物质以及榕小蜂对这些物质的电生理测试，支持了甲羟戊酸和莽草酸途径在吸引特定传粉者方面的重要作用，揭示了在这种专性互利共生中共分化的潜在分子机制。

图2 进化和形态学有关的基因的群体研究

 总结

    本研究基于三代PacBio、Hi-C和遗传图谱等技术成功构建了2种榕树和1种传粉榕小蜂的高质量基因组。比较基因组学研究发现两种榕树基因组存在大量的结构变异，为其适应性演化提供了遗传基础。并对榕树气生根、性别决定基因、榕树进化以及榕蜂共生体系专性协同进化等进行研究。本次研究首次在基因组水平上揭示了榕-蜂共生体系在形态和生理方面的协同演化对双方类群的协同多样化的重要影响。

参考文献