近日，洛陽師范學(xué)院植物多樣性保護(hù)課題組聯(lián)合菲沙基因在國際主流期刊Molecular Ecology Resources（IF=7.09，中科院一區(qū)）上發(fā)表了題為“The chromosome-scale genome assembly,annotation and evolution of Rhododendron henanense subsp. lingbaoense”的研究論文。該研究通過PacBio Hi-C技術(shù)首次構(gòu)建了我國特有杜鵑種-靈寶杜鵑的高質(zhì)量參考基因組，隨后基于比較基因組分析揭示了靈寶杜鵑與其它杜鵑間的共線性，同時也初步揭示了靈寶杜鵑逆境適應(yīng)性的分子機(jī)制，從而為靈寶杜鵑的種質(zhì)資源保護(hù)與進(jìn)化研究提供了新見解。

圖1  文章發(fā)表信息

杜鵑花具有較高的觀賞、園藝與藥用價值，近期也有大量關(guān)于杜鵑花屬的基因組與轉(zhuǎn)錄組研究報道，這些報道對于杜鵑花屬基因家族的進(jìn)化和廣泛的表型可塑性研究具有重要意義。但到目前為止，我國特有杜鵑種-靈寶杜鵑的基因組尚未有報道，這限制了對其遺傳資源、環(huán)境適應(yīng)性及分子進(jìn)化的研究，因此構(gòu)建靈寶杜鵑基因組具有重要理論意義。

材料：靈寶杜鵑（Rhododendron henanense subsp. lingbaoense）

測序策略：PacBio（220×） Hi-C（100×） Illumina（90×）

通過Survey分析，預(yù)估靈寶杜鵑基因組大小為654.12Mb，雜合為0.72%。隨后研究者利用高深度的PacBio測序和Hi-C輔助組裝，構(gòu)建了高質(zhì)量的染色體水平靈寶杜鵑基因組，其基因組大小為622.72Mb，Contig N50=2.54Mb，Scaffold N50=50.18Mb。接著，研究者通過多種方法證實(shí)了基因組組裝的完整性與準(zhǔn)確性，三代數(shù)據(jù)的比對率為97.85%，BUSCO評估基因組完整性為97%，二代數(shù)據(jù)檢測基因組單堿基錯誤率僅為0.0003%；且與已發(fā)表的其它杜鵑屬物種相比，本研究組裝的基因組完整性和準(zhǔn)確性都是最好的。

結(jié)合從頭注釋、同源注釋和全長轉(zhuǎn)錄組注釋，研究者在靈寶杜鵑種鑒定到31098個蛋白編碼基因，平均每個基因的長度為6393.37 bp，其中88.77%的基因都可以得到功能注釋。靈寶杜鵑基因組中65.76%的序列都是重復(fù)序列，其中LTR的含量最高。此外，研究者在靈寶杜鵑中還鑒定到 2251個rRNAs、448個tRNAs、488個snRNAs 以及94個miRNAs。

圖2  靈寶杜鵑全基因組Hi-C互作圖譜

研究者選取14個近緣物種用于靈寶杜鵑的比較基因組分析，共鑒定到15483個基因家族，其中168個是靈寶杜鵑特有的基因家族。系統(tǒng)進(jìn)化樹分析表明，杜鵑屬內(nèi)的親緣關(guān)系較為密切，其分化時間大致在12.3~19.9百萬年前，而獼猴桃、山茶屬與杜鵑屬的分化時間大致在64.6~73.8百萬年前。

共線性分析表明，馬纓杜鵑（Rhododendron delavayi）、圓葉杜鵑（Rhododendron williamsianum）、杜鵑（Rhododendron simsii）與靈寶杜鵑間的共線性非常好，且以單染色體與單染色體間的共線性為主，但不同杜鵑的基因組間也存在染色體重排事件。通過WGD分析，檢測到杜鵑屬和山茶屬有一個相似的WGD峰（Ks值在0.637到0.715），結(jié)合分子時鐘，研究者確定了杜鵑屬植物先發(fā)生一次WGD事件（79.2百萬年前），而后與近緣種山茶屬產(chǎn)生了分化?；驍U(kuò)增收縮分析表明，靈寶杜鵑中有2257個基因家族發(fā)生了擴(kuò)張，擴(kuò)張基因顯著富集在與對水楊酸的響應(yīng)、細(xì)胞對酸化學(xué)的響應(yīng)、防御反應(yīng)的調(diào)節(jié)、應(yīng)激反應(yīng)的調(diào)節(jié)相關(guān)的通路中，這證實(shí)了靈寶杜鵑對逆境有著極強(qiáng)的抗性；收縮的基因則顯著富集在與萜合酶活性、碳氧裂解酶活性和ADP結(jié)合相關(guān)的通路中。

圖3  靈寶杜鵑與其近緣種的比較基因組分析

之前研究表明，MYB的同源基因調(diào)控植物發(fā)育、花朵顏色和脅迫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，研究者隨后鑒定了靈寶杜鵑中MYB基因家族的變化。結(jié)果表明，靈寶杜鵑中存在110個MYB的同源基因，在13條染色體上都有分布，其MYB基因的數(shù)目要小于棉花、油菜等物種，且靈寶杜鵑中部分MYB基因存在串聯(lián)重復(fù)事件。此外，基于MYB基因構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)化樹表明，靈寶杜鵑的MYB基因與擬南芥中的MYB基因?qū)儆诓煌姆诸?。這些結(jié)果將有助于后續(xù)MYB基因的功能驗(yàn)證工作。

圖4  靈寶杜鵑中MYB基因的分布

本研究通過PacBio和Hi-C技術(shù)構(gòu)建了染色體水平的靈寶杜鵑基因組，在此基礎(chǔ)上通過與其它杜鵑植物及近緣植物進(jìn)行比較分析，闡述了靈寶杜鵑的基因組進(jìn)化、WGD事件、與逆境適應(yīng)性相關(guān)基因的擴(kuò)張與分類，從而為靈寶杜鵑種質(zhì)資源保護(hù)、新品種選育及遺傳進(jìn)化研究提供了新見解。