蘭州大學研究團隊從全基因組水平揭示象草花青素積累和快速生長分子機制

日期: 2020-10-19 閲讀: 來源: 關鍵詞:

象草(Cenchrus purpureusSchumach)因大象愛採食而得名,是禾本科、黍族多年生大型草本植物,原產於亞洲。象草因其具有生物量大、生長快速、適應性強等特點,被用作重要的飼草作物在全世界熱帶及亞熱帶被廣泛種植。此外,由於象草在生物能方面的優勢也使其成為潛在的能源草。

蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室聯合廣西畜牧研究所、國際家畜研究所,針對象草基因組開展了創新性研究。組裝獲得象草高質量象草染色體水平基因組,明確了象草的進化地位,解析了紫色象草花青素積累及其快速生長的分子機制。該研究對象草作為優良飼草和潛在能源草的分子改良育種具有重要意義。此外,為該屬的系統進化以及其它物種的開發利用提供了重要資源。

該研究以紫色象草(Cenchrus purpureuscv. Purple)為材料,K-mer評估顯示象草具有較高雜合率(1.5%)。利用Illumina、Nanopore、Hi-C測序,採用NextDenovo + SMARTdenovo策略組裝獲得1.97Gb的基因組,Contig N50為1.83Mb,最長Contig達到15.1Mb。結合Hi-C數據對基因組輔助染色體掛載及遺傳連鎖圖譜,得到14條染色體,掛在率為96.65%。BUSCO評估結果達97.8%,預測註釋基因65,927個。

象草為異源四倍體(2n=4x=28),包含A’和B兩個亞基因組。研究表明同屬二倍體植物珍珠粟(Cenchrus americanus,2n=2x=14)的A基因組與象草A’基因組具有更高同源性。通過共線性分析研究者成功將象草的A’和B兩個亞組區分開來,並利用單拷貝基因分析證明象草A’亞基因組和珍珠粟A基因組具有較近的同源性。象草A’A’BB的異源四倍體基因組大約起源於6.61(4.11-10.92)MYA,併發生了較大的染色體重組。此外,研究者還利用轉錄組分析了象草亞基因組顯性表達,結果表明其行使不同的功能。

紫色象草品種的葉片呈現紫色,一般認為苯丙類、黃酮類、花青素生物合成途徑與葉片色素沉積有關。研究者從基因組和轉錄組層面對象草葉片紫色呈現進行了研究。比較基因組和轉錄組分析表明,象草關鍵酶基因苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸4-羥化酶(C4H)、4-香豆酸輔酶a連接酶(4CL)、查耳酮合酶(CHS)和黃烷酮醇4-還原酶(DFR)、類黃酮-3-O-葡糖基轉移酶(3GT)發生了擴張並在葉片中顯著高表達,其中4CL和DFR在進化過程中受到正選擇。

C4植物通常在碳固定方面效率更高,具有更高的用水效率,有助於它們在乾燥環境中生存。C4植物可根據維管束鞘細胞中脱羧方式的不同分為3個亞類,即NAD-ME、NADP-ME和PEPCK。研究者分析了象草中涉及C4碳固定的九個主要基因家族,包括酶和代謝物轉運體,比較基因組分析發現它們在象草中發生了擴張。轉錄組的結果表明這些關鍵酶和代謝物轉運體在光合主要器官葉片中顯著高表達,並且發現C4的3個亞類共同存在於象草中。另外,植物激素也是控制植物生物過程(發育過程、信號網絡以及對生物和非生物脅迫的反應)的重要因素。研究者從基因組和轉錄組層面對激素信號轉導相關通路進行了分析,發現參與細胞增大和細胞分裂等基因家族在象草中發生擴張並在莖間組織中高表達。這些結果對象草的快速生長及高生物量具有重要意義。

近日,該研究結果以“The elephant grass (Cenchrus purpureus) genome provides insights into anthocyanidin accumulation and fast growth”為題在Molecular Ecology Resources上在線發表。蘭州大學為論文第一完成單位。蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室張吉宇教授、廣西畜牧研究所易顯鳳研究員、國際家畜研究所ChrisJones博士為論文共同通訊作者。蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室博士生閆啓為論文第一作者,博士生吳凡、許攀為論文共同第一作者。

原文鏈接://doi.org/10.1111/1755-0998.13271

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文:張吉宇
圖:閆啓
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編輯:侯牧晨
責任編輯:許文豔

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