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賦能科研 | 華大智造MGISEQ-2000助力陜西省植物研究所首獲染色體級別漆樹參考基因組序列

時(shí)間:2022-06-10作者:華大智造閱讀數(shù):5984分享
近日,陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)陜西省“三秦學(xué)者”李思鋒研究員團(tuán)隊(duì)在Cell Press旗下交叉學(xué)科期刊iScience在線發(fā)表了題為The chromosome-level genome for Toxicodendron vernicifluum provides crucial insights into Anacardiaceae evolution and urushiol biosynthesis的研究論文。該研究首次獲得并公開發(fā)布了染色體級別的漆樹參考基因組序列,并揭示了漆樹木質(zhì)素及漆酚合成相關(guān)的代謝通路。華大智造MGISEQ-2000是組裝該基因組序列的支撐工具之一。



漆樹是我國重要的特用經(jīng)濟(jì)樹種,據(jù)考古發(fā)現(xiàn)我國使用天然生漆的歷史可追溯到公元前七千多年前,據(jù)明朝黃成所撰的現(xiàn)今唯一傳世的漆器工藝著作《髹飾錄》記載:“漆之為用也,始于書竹簡,而舜作食器,黑漆之,禹作祭器,黑漆其外,朱畫其內(nèi)?!薄肚f子·人世間》中也有“桂可食,故伐之;漆可用,故割之”的記載。而曾經(jīng)作為禮器的漆器如今依然以其獨(dú)有的東方元素,傳承著華夏藝術(shù)瑰寶無窮魅力。


漆樹是漆樹科漆樹屬落葉喬木,在我國大部分地區(qū)均有分布。其木質(zhì)堅(jiān)硬、細(xì)膩,是制作家具的上好材質(zhì)。漆樹的葉和花果,可以入藥,有止咳、消淤、通經(jīng)、殺蟲之效。果實(shí)可榨油,果皮可取蠟,漆仁油可作油漆工業(yè)的原料,也可食用,漆蠟則是制造肥皂和甘油的重要原料。漆液是天然樹脂涂料,素有“涂料之王”的美譽(yù)。因此,漆樹是天然涂料、油料和木材兼用的經(jīng)濟(jì)型樹種,可謂全身皆寶。我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中干漆有通經(jīng)、驅(qū)蟲、鎮(zhèn)咳的功效;藥理研究表明,漆樹中含有多種黃酮、有機(jī)酸等天然小分子具有抗癌、改善神經(jīng)異常等活性。


雖然我國漆樹資源豐富,但漆樹育種仍處于傳統(tǒng)選育階段,漆樹中漆酚的生源合成及該途徑中關(guān)鍵酶基因尚未破解,漆樹品種中特色天然產(chǎn)物的精細(xì)鑒定及其相關(guān)基因仍未鑒定,這些嚴(yán)重制約了漆樹綜合資源開發(fā)及分子育種進(jìn)程。


該研究利用Nanopore、PacBio Sequel Ⅱ、DNBSEQ和Hi-C等技術(shù)開展了漆樹“高八尺”的全基因組序列測定。組裝后得到基因組大小為 491.93 M,Contig和Scaffold N50分別為5.26 Mb 和32.97 Mb,染色體掛載率為98.26%,共注釋得到32682個(gè)基因(圖1)。華大智造基于DNBSEQ技術(shù)的全能型基因測序儀MGISEQ-2000參與支撐了該基因組的組裝工作,包括對長讀長數(shù)據(jù)糾錯、產(chǎn)出Hi-C數(shù)據(jù)用于基因組的染色體構(gòu)建等。


圖1 高質(zhì)量漆樹基因組組裝圖


進(jìn)化分析顯示,漆樹與P. vera之間的物種分化大約發(fā)生在25.2Mya,并且漆樹在47.3 Mya經(jīng)歷了一次全基因組復(fù)制事件。其中與漆酚生物合成相關(guān)的基因家族發(fā)生顯著擴(kuò)張,可能對于漆樹的生態(tài)適應(yīng)性和生物適應(yīng)性有重要作用(圖2)。


圖2 漆樹比較基因組分析

a,15種近緣植物的基因家族擴(kuò)張和收縮。分支上的綠色和紅色數(shù)字代表每個(gè)物種的擴(kuò)張和收縮基因家族。b,漆樹的WGD分析。c,代表了漆樹科其他物種的T.vernicifluum 旁系同源物和直系同源物的同線塊的4dTv 分布。


同時(shí)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步聯(lián)合基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù),分析漆樹中漆酚和木質(zhì)素合成代謝過程中相關(guān)關(guān)鍵酶基因的變化規(guī)律,繪制了漆樹漆酚及木質(zhì)素合成通路代謝圖(圖3)。并結(jié)合基因結(jié)構(gòu)鑒定與轉(zhuǎn)錄組分析,在漆樹中鑒定了33條聚酮合酶基因,該酶是漆酚合成途徑上的關(guān)鍵酶基因。此外,運(yùn)用代謝組學(xué)技術(shù)揭示了不同漆樹品種“大紅袍“、”高八尺“、”貴州紅毛“、”貴州黃毛“以及野生型漆樹含有的化合物圖譜,為漆樹的綜合開發(fā)提供了有力數(shù)據(jù)。并且發(fā)現(xiàn)不同品種在特有天然產(chǎn)物方面存在差異,漆黃素、黃顏木素等黃酮類化合物可以作為漆樹品種鑒定的代謝物標(biāo)記。


圖3 漆樹中漆酚合成(a)及木質(zhì)素(b)合成代謝通路


綜上,本研究首次公布了漆樹高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù),為漆樹分子育種及天然產(chǎn)物開發(fā)提供了基因組基礎(chǔ),也為漆樹科比較基因組學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)等研究提供了支撐。


以上研究由陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)李思鋒課題組聯(lián)合華大基因、西安交通大學(xué)、國投生物科技投資有限公司等多家單位協(xié)作完成。陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)柏國清副研究員、陳塵副研究員、華大基因趙辰曦博士、西安交通大學(xué)周濤副教授、國投生物科技投資有限公司李丹博士為共同第一作者;陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)李思鋒教授為本文通訊作者。陜西理工大學(xué)周天華副教授參與了本研究。研究的開展得到國家自然科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、第四次全國中藥資源普查陜西省項(xiàng)目的共同資助。


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