GigaScience | 胡桃楸染色体水平基因组发布
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近日，吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳课题组，在开放获取期刊GigaScience上发表了高质量的胡桃楸（Juglans mandshurica Maxim.）染色体水平基因组（图1）。这是目前胡桃楸组装质量最高的染色体水平级别的基因组，且基因组具有很高的连续性和完整性。该研究揭示了胡桃楸与其他胡桃科物种的系统分类地位和进化特征，并完成了胡桃楸果实发育过程中胡桃醌和油脂合成相关基因的挖掘工作，这为胡桃楸关键药用成分调控机制及基因组进化研究提供了重要参考，特别是为胡桃楸的综合开发和利用提供了宝贵的遗传信息。
图1 胡桃楸染色体水平基因组论文在线发表
胡桃楸（Juglans mandshurica Maxim.）属胡桃科胡桃属，2n=2x=32，是重要的珍贵用材树种，也是我国东北地区极具开发潜力的药用植物及木本油料植物，具有重要的经济价值（图2）。胡桃楸未成熟外果皮中含有醌类、黄酮类等多种药用活性成分，其中胡桃醌因具有抗肿瘤、抗氧化和抑菌等功效而受到科研者们的广泛关注。胡桃楸种仁含油率可达68%以上，尤其富含油酸、亚油酸和亚麻酸等多种不饱和脂肪酸，同时还含有蛋白质和维生素等多种营养物质，可用作坚果食用。如何挖掘这些药用成分以及营养物质是合理开发和利用胡桃楸的前提。因此，高质量胡桃楸基因组的获得具有重要意义，为胡桃楸中关键成分的挖掘及综合开发利用提供了重要数据资源和线索。
图 2 胡桃楸表型照片（a）成年大树；（b）雄花；（c）雌花；（d）果实
赵曦阳课题组利用PacBio HiFi测序技术，并结合Hi-C染色体交互捕获技术，对胡桃楸基因组进行de novo组装，将胡桃楸染色体锚定到了16条染色体上。测序获得14.62Gb的raw data，测序深度为26×，最终组装的基因组大小为548.7Mb，contig N50达21.39 Mb，scaffold N50为35.38 Mb，BUSCO完整性为98.3%。基于survey分析发现胡桃楸基因组大小约为547.99Mb，与组装基因组大小基本一致。其连续性和完整性是目前已报道的胡桃楸基因组中最好的，较之前基于短读长及Nanopore测序的胡桃楸基因组，新版基因组实现数量级的提高。基于同源序列比对、de novo预测和转录组证据支持对胡桃楸基因组进行注释，共获得40,453个蛋白编码基因（图3）。这些结果表明胡桃楸基因组具有较高的完整性和准确性，综合组装质量达到高水平。
图3 胡桃楸染色体级基因组特征图谱
为了确定胡桃楸的系统进化地位和进化历史，我们选择了胡桃楸在内的15个代表性物种，包括12个胡桃目物种以及3个模式物种，进行同源基因家族鉴定，在胡桃楸基因组中共鉴定出24,415个基因家族，并以其中558个单拷贝基因家族构建系统发育树（图4）。结果表明胡桃楸和野核桃基因组共线性比例约为60%，它们约在13.8（10.6~17.3）百万年前发生分歧，在基因组水平上应该被划分为两个独立的种。胡桃属（Juglans）与山核桃属（Carya）进化关系较近，它们的分歧时间约为23.7（20.1~26.9）百万年前。基于Ks和4dTV值，确定了一个起源于古新世时期胡桃科开始辐射演化之前的“Juglandoid”全基因组复制事件。
图4 胡桃楸基因组的系统进化分析
胡桃醌具有抗菌、抗肿瘤、抗病毒等作用，其主要来源于胡桃科胡桃属一些物种的根、皮、叶和未成熟的核桃外果皮（青皮）组织，包括山核桃、美国山核桃、野核桃、函兹核桃、核桃、黑胡桃和泡核桃等。对胡桃楸4个关键发育时期的青皮材料进行多组学分析，发现脱羧酶、2-酮戊二酸/铁（II）端依赖性双加氧酶和细胞红色素P450在胡桃醌合成中起着重要作用，5个CYP450基因与胡桃醌的积累密切相关，并发生了显著的扩张。NAC、bZip、NF-YA、NF-YC的表达与胡桃醌积累呈正相关（图5）。
图5 胡桃楸青皮发育过程胡桃醌生物合成通路
作为极具开发价值的坚果树种之一，胡桃楸种仁含油量高，可达60%以上，富含氨基酸、维生素、蛋白质、不饱和脂肪酸以及铁、磷等多种重要的营养元素，这些营养成分对胡桃楸种仁品质形成具有重要意义。结果表明亚油酸、α-亚麻酸和γ-亚麻酸是胡桃楸油脂合成中的关键代谢物。亚油酸在脂质类化合物中含量最高，其在不饱和脂肪酸合成通路中显著上调表达，其与胡桃楸种仁油脂积累密切相关。从转录组中共挖掘了346个与油脂相关的差异基因，其中105个参与脂肪酸生物合成，202个参与三酰甘油组装，39个参与油体形成。LEC2、WRI1、ABI3和FUS3转录因子是胡桃楸油脂合成中的关键调控因子（图6）。
图6 胡桃楸种仁油脂生物合成通路
博士研究生李翔为该论文的第一作者，吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授为论文的通讯作者。该研究得到吉林农业大学人才引进科研启动项目、林木遗传育种国家重点实验室创新项目和中央高校基础科研业务费的资助。
*本文转载自“GigaScience”公众号
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