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“沙漠之宝”——大果沙枣的染色体水平基因组解析 | MDPI Diversity 精选

已有 2900 次阅读 2022-9-22 13:46 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

研究背景

大果沙枣 Elaeagnus moorcroftii Wall,是我国西北地区少有的集生态与经济效益于一体的重要乔木树种,其在荒漠生态系统中具有重要的地位,也是该地区特有的乡土经济植物,具有潜在的应用价值。大果沙枣生活力强、易繁殖,抗风沙、耐干旱、耐高温、耐贫瘠、耐盐碱,是西北地区防风固沙、绿化造林的先锋树种。此外,其枝、叶、花、果都具有开发和利用的价值,可食用、药用、饲用以及用作加工原材料。


西北师范大学生命科学学院的青年教师付新星以及兰州大学、中科院植物研究所的研究人员在 Diversity 期刊发表文章,利用三代 PacBio HiFi 测序和 Hi-C 辅助组装技术绘制了该物种的染色体水平的高质量参考基因组,为深入解析该物种提供了宝贵的基因组信息,同时为培育优质大果沙枣奠定了理论基础。

图7.png

图为大果沙枣染色体水平基因组组装图谱。


研究过程和结果

为了获得大果沙枣高质量的参考基因组,作者利用长读长的 HiFi 测序结合 Hi-C 染色体挂载技术获得了一个染色体水平的基因组,基因组组装大小为529.56 Mb,contig N50 达到 28.21 Mb,其中 500.73 Mb (94.56%) 的 contig 能够锚定到 14 条染色体上。同时,作者对大果沙枣基因组进行了注释。作者列出了322.78Mb (60.95%) 的重复序列;并利用从头预测和同源比对,预测了 29,243 个蛋白质编码基因,其中 95.10% 的基因获得了功能注释;作者还对非编码 RNA 进行了预测。作者发现基因组组装和注释的 BUSCO 评估分别达到了96.7% 和 98.5%,反映出大果沙枣基因组的高质量和高完整度。

作者对大果沙枣的进化历史进行了分析。利用175个单拷贝的直系同源基因构建了大果沙枣和其他 10 个物种的系统发育树,包括胡颓子科两个物种 (翅果油树 E. mollis 和沙棘 Hippophae Rhamnoides)、蔷薇目 5 个物种以及 3 个真双子叶的外类群物种。大果沙枣和翅果油树的分化时间估算为 9.38 百万年前 (Million Years Ago, MA),它们和翅果油树的分化时间估算为 30.52 Ma。

此外,作者为探索基因家族在类群中的动态变化,对基因家族进行了扩张/收缩分析,结果显示大果沙枣基因组中特异扩张和收缩的基因家族分别有 842 和 2,019 个,这一趋势与翅果油树刚好相反,作者这个结果跟这两个物种中基因重复模式的差异有关。GO 富集分析显示大果沙枣基因组中扩张的基因家族主要跟多种化合物的合成和代谢过程有关,如二萜、ATP 等;收缩的基因家族主要跟蛋白质解聚过程有关。

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图为大果沙枣和其他10个物种的比较基因组和进化基因组分析。


作者利用同义替代率 (Synonymous Substitutions Per Synonymous Site, Ks) 分析发现,大果沙枣基因组存在两个峰 (0.38 和 0.45)。作者在大果沙枣的两个近缘物种翅果油树和沙棘中也发现了相同的 Ks 峰,说明了这两个连续的全基因组加倍 (Whole-Genome Duplication, WGD) 事件是三个胡颓子科物种共有的。为了进一步证明这个结果,作者还对基因组内和基因组间进行了共线性分析,分析结果支持了这个结论,即大果沙枣、翅果油树、沙棘这三个胡颓子科物种的共同祖先经历了两次连续的 WGD。

图9.png

图为 Ks 和共线性分析的结果揭示大果沙枣经历了两次连续的 WGD。


研究结论及展望

本文通过利用高通量测序技术和染色体辅助组装技术重新组装了大果沙枣的高质量参考基因组。组装的基因组大小为 529.56  Mb (contig N50为28.21 Mb),其中 94.56% 的 contig 能够锚定到 14 条染色体上。作者预测了 29,243 个蛋白质编码基因,BUSCO 评估达到 98.5%。基因组进化分析显示大果沙枣及其近缘种翅果油树的分化时间为 9.38 Ma,而且这两个物种基因家族的扩张/收缩呈现相反的趋势。同时,作者鉴定到大果沙枣基因组在核心真双子叶植物发生的 gamma 六倍化事件之后,还经历了两次连续的 WGD 事件。该研究不仅为深入解析大果沙枣提供了高质量的参考基因组,而且为西北地区培育优质大果沙枣、发展沙枣产业奠定了理论基础。


原文出自 Diversity 期刊

Fu, X.; Wu, J.; Ma, X.; Li, K.; Zhang, H.; Wu, S.; Sun, K. The Chromosome-Level Genome of Elaeagnus moorcroftii Wall., an Economically and Ecologically Important Tree Species in Drylands. Diversity 2022, 14, 468. 


Diversity 期刊介绍

主编:Michael Wink,Heidelberg University,Germany

期刊涵盖了从分子、基因、种群和物种到生态系统的有机体和分子多样性相关的所有主题。研究范围涵盖但不限于生物多样性及多样性保护、分子进化与生态学、多样性评估等。

2021 Impact Factor:3.029

2021 CiteScore:2.9

Time to First Decision:14.3 Days

Time to Publication:37 Days

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