光皮木瓜（Pseudocydonia sinensis）為薔薇科蘋(píng)果族植物，富含多種生物活性物質(zhì)，在抗氧化、抗炎、抗腫瘤、抗病毒及調(diào)節(jié)血糖等方面展現(xiàn)出廣泛的藥理作用，具有重要的經(jīng)濟(jì)與醫(yī)學(xué)價(jià)值。近日，園藝學(xué)院趙濤/馬鋒旺教授課題組聯(lián)合風(fēng)景園林學(xué)院李厚華教授課題組在Plant Biotechnology Journal 雜志在線發(fā)表了題為“A near-gapless genome assembly of Pseudocydonia sinensis uncovers unique phenylpropanoid pathways”的文章。該研究通過(guò)對(duì)光皮木瓜高質(zhì)量的單倍型基因組的組裝與比較基因組學(xué)分析，揭示了其在全基因組復(fù)制事件后的核型進(jìn)化軌跡及與次級(jí)代謝物合成相關(guān)基因家族的擴(kuò)展。代謝組與轉(zhuǎn)錄組的整合分析進(jìn)一步揭示，MYB轉(zhuǎn)錄因子ODORANT1（PsMYBODO1）是苯丙素代謝的關(guān)鍵調(diào)控因子，可直接結(jié)合并激活包括PsRT3、PsPAL、PsCAD、PsCOMT在內(nèi)的多個(gè)核心代謝基因的啟動(dòng)子。該研究報(bào)道的光皮木瓜的首個(gè)高質(zhì)量基因組組裝為解析其藥用價(jià)值和開(kāi)展分子育種奠定了重要基礎(chǔ)。

 

　　研究人員通過(guò)高保真長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序（PacBio HiFi）結(jié)合高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（Hi-C），成功構(gòu)建了光皮木瓜的高質(zhì)量單倍型水平基因組。最終組裝獲得兩個(gè)單倍型共34條染色體，其中A單倍型為581.56?Mb，B單倍型為557.01?Mb。BUSCO、LTR Assembly Index（LAI）和Merqury組裝質(zhì)量評(píng)估結(jié)果顯示，該基因組具有較高的完整性和準(zhǔn)確性?；诙肆Ｌ卣餍蛄袡z測(cè)，在34條染色體的兩端共檢測(cè)到55個(gè)端粒，其中22條染色體的兩端均檢測(cè)到端粒，另有11條染色體在一端具有端粒信號(hào)。通過(guò)從同預(yù)測(cè)與同源比對(duì)相結(jié)合的方法，光皮木瓜基因組共注釋出78,781個(gè)蛋白編碼基因，其中A單倍型為39,227個(gè)，B單倍型為39,103個(gè)，基因注釋BUSCO完整度均在99.0%以上。LTR類反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子中的Gypsy元件在著絲粒區(qū)域富集，而Copia元件在染色體上的分布則無(wú)明顯富集趨勢(shì)。這些結(jié)果共同證明光皮木瓜參考基因組具有較高的完整性、準(zhǔn)確性與連續(xù)性，為后續(xù)的功能基因挖掘與遺傳研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

 

 

　　為了闡明光皮木瓜的進(jìn)化軌跡，研究人員從12個(gè)薔薇科基因組中鑒定出519個(gè)保守單拷貝共線性簇（CSSC）基因，通過(guò)基于溯祖（coalescent-based）和基于串聯(lián)（concatenation-based）的系統(tǒng)發(fā)育分析方法，證實(shí)了光皮木瓜為蘋(píng)果與梨的姐妹譜系，起源于大約2778萬(wàn)年前?；蚣易宸治龉茶b定出1608個(gè)擴(kuò)張的基因家族，功能富集分析表明，這些擴(kuò)張家族顯著富集于多個(gè)初級(jí)代謝過(guò)程以及多個(gè)次級(jí)代謝過(guò)程，如木質(zhì)素代謝過(guò)程和類黃酮代謝過(guò)程。

 

 

　　Ks和共線性分析表明，薔薇科物種共同經(jīng)歷了真雙子葉植物共享的γ三倍化事件，蘋(píng)果族物種共享了一次額外的全基因組復(fù)制事件。此外，研究人員構(gòu)建了祖先薔薇科核型（ARK），并進(jìn)一步揭示了蘋(píng)果族物種經(jīng)歷的關(guān)鍵染色體重排事件。

 

　　光皮木瓜果實(shí)富含多種次級(jí)代謝產(chǎn)物，賦予其顯著的抗氧化活性和藥用價(jià)值。通過(guò)廣泛靶向代謝組學(xué)分析，研究人員在其四個(gè)發(fā)育階段共鑒定出1179種代謝物，其中黃酮類占比最高（46.35%），且在成熟階段（S4）顯著積累。等位基因特異性表達(dá)（ASE）分析揭示了B單倍型在調(diào)控苯丙烷途徑中的主導(dǎo)作用。基于加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）中的黃色模塊，研究人員構(gòu)建了一個(gè)包含21個(gè)結(jié)構(gòu)基因和117個(gè)TF的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，并揭示了PsMYBODO1可能在調(diào)控木質(zhì)素和蘆丁合成中起核心作用。

 

　　研究者對(duì)PsMYBODO1的功能開(kāi)展了深入研究，發(fā)現(xiàn)該基因在果實(shí)中的表達(dá)水平顯著高于花和葉組織，并與苯丙烷通路中PsPAL和PsCAD等結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)高度相關(guān)；亞細(xì)胞定位和瞬時(shí)過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)證實(shí)PsMYBODO1定位于細(xì)胞膜和細(xì)胞核，其過(guò)表達(dá)可顯著提升蘆丁和木質(zhì)素含量，并上調(diào)PsRT3、PsPAL、PsCAD、PsC4H1和PsCOMT等通路基因的表達(dá)；酵母單雜交實(shí)驗(yàn)證實(shí)PsMYBODO1可直接結(jié)合PsPAL、PsCAD、PsRT3和PsCOMT等基因啟動(dòng)子，尤其對(duì)PsPAL和PsCOMT調(diào)控能力較強(qiáng)，揭示了PsMYBODO1在協(xié)調(diào)果實(shí)類黃酮和木質(zhì)素合成中的核心調(diào)控作用。

 

　　園藝學(xué)院在讀碩士生張陽(yáng)鑫，風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院已畢業(yè)博士生、現(xiàn)西安文理學(xué)院美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院張雙羽，園藝學(xué)院已畢業(yè)碩士生郭文夢(mèng)、張宇欣為論文共同第一作者，我校趙濤教授、馬鋒旺教授和李厚華教授為該論文的共同通訊作者，河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院禹坷教授、園藝學(xué)院孫亞強(qiáng)副教授也對(duì)該項(xiàng)研究做出重要貢獻(xiàn)。研究工作得到了中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2452021133）和西北農(nóng)林科技大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。

 

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.70167