作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2020/4/4 10:18:30
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首个山苍子基因组图谱:揭秘精油合成分子机制

 

 山苍子花 陈炳华摄

山苍子,是我国南方家喻户晓的一种香树,其果实有香气,无毒,可治疗急性肺炎,有抗病毒抗菌消炎作用。山苍子精油还是高级化妆品紫罗兰酮的原料。

4月3日,《自然—通讯》在线发表中国林业科学研究院亚热带林业研究所(以下简称亚林所)研究员汪阳东团队的重要成果。该团队成功组装全球首个染色体级别的高质量山苍子基因组图谱,并基于此揭示樟科物种进化及其精油合成分子机制。

南方有香树

我国山苍子栽培面积21.60万亩,精油年产量14.01万吨,为世界上最大的生产国和出口国,每年产生的经济价值约20亿元。

山苍子作为木兰类分支樟目樟科的代表种之一,鲜果皮精油含量高达到4%~7%,单萜化合物含量高达98%。实际上,山苍子所属的樟科植物普遍富含丰富的单萜化合物,即樟脑、桉叶油醇、柠檬醛等。樟科植物是我国南方重要的经济和生态树种,全国约有20属、423种,在材用、药用、香料、医药方面都有重要的经济价值。

“目前,对樟科植物果实精油及精油主要成分单萜化合物的生物合成机理尚不清楚,制约了樟科植物精准育种。”中国科学院院士钱前告诉《中国科学报》。

论文通讯作者汪阳东介绍,樟科花小、花序形态多样、存在双性花和单性花,使得其形态演变及进化位置研究困难;樟科特殊香味关键化合物合成机理尚不清楚。因此,从基因组水平探讨樟科的进化、花形态演变分子证据及特殊香味的遗传基础,对揭示樟科植物的生物学特性、应用推广及遗传育种具有指导作用。

木兰类与双子叶植物为姐妹类群

2016年10月,汪阳东团队启动了山苍子基因组测序项目。经过3年多努力,圆满完成项目,获得了大小为1.37G,contig N50为607.34kb的基因组。通过Hi-C技术,他们进一步将基因组锚定到24条染色体上,锚定率94.56%,获得质量优良的山苍子基因组图谱。

 

山苍子基因组图谱 亚林所供图

汪阳东介绍,为开展樟科形态演变和香味合成的分子基础研究,他们对樟科在中国分布的20属47个代表种进行了低盖度基因组测序,16属23个代表种进行了混合组织和花苞转录组测序。

“基于山苍子基因组图谱和樟科各属代表种组学信息,我们发现,不完全谱系分选对木兰类与单双子叶植物分化起重要作用。”汪阳东在接受《中国科学报》采访时解释道,一般来说,物种间的关系可以通过一个或多个基因来进行还原。但当新物种形成过程极其迅速时,来自祖先的等位基因在分化后的物种中随机分配。这种不完全谱系分选的现象为通过基因树构建物种系统演化带来了极大障碍。

“木兰类植物的系统发育位置一直以来都是被子植物进化研究的热点问题。已发表的木兰类植物基因组获得了不一致的结果,木兰类既可能与单双子叶呈姐妹群,也可能分别与单子叶或双子叶呈姐妹群。我们的发现为樟科复杂的系统发育关系提供了新的证据。”汪阳东说。

山苍子属于木兰类植物。汪阳东说:“基于山苍子与其他被子植物基因组数据的系统发育分析,我们的结果较为支持木兰类与双子叶植物呈姐妹类群,晚于单双子叶分化后起源。”但基于溯祖法的系统发育异质性评估发现,不同的单拷贝基因显示出了不同的拓扑结构。这也说明木兰类的系统发育位置,不单单只通过增加数据就能够完全确定,其背后还隐藏着复杂的物种形成事件,例如不完全谱系分选等。

“该结果推进了木兰类系统位置的探索工作,将其系统发育问题提升为其起源与进化的问题。”汪阳东说。

揭秘樟科各代表属系统进化关系

“我们在山苍子基因组中识别出了两次基因组复制事件(WGD)。古老的一次发生于木兰目与樟目分化之前不久,年轻的一次发生在樟科分化以前。”论文第一作者、亚林所副研究员陈益存告诉《中国科学报》。

陈益存进一步解释说,樟科有一些物种也具有两次基因组复制事件,但并不共享樟科近期的基因组复制事件,而是这些类群自身所特有的。

“有趣的是,樟科植物无根藤中并未识别出基因组复制事件,其特殊习性所导致的高碱基替换率是潜在的原因。”陈益存说,樟目的物种在大约300万年前经历了快速辐射,与基因组复制事件发生的时间一致。这说明基因组复制事件推动了樟目中的物种分化。

不同单拷贝基因的ASTRAL溯祖分析也暗示,在赛楠属、月桂属、山胡椒属、莲桂属以及鳄梨属等各自所在的分支曾发生过复杂的进化事件,导致了其多变的系统位置,是否存在网状进化或未完全谱系分选事件有待进一步的研究。

同时,樟目共享的基因组复制事件,是否由各分支独立的多次基因组复制事件组成,有待进一步的研究。

汪阳东团队 亚林所供图

此外,该团队通过樟科内不同分支代表种的转录组数据,揭示了樟科内部的系统发育框架。结果显示,无根藤为樟科最早分化的类群,而厚壳桂属、琼楠属、檬果樟属共同祖先的分化事件则稍晚于无根藤。

重要基因的鉴定

有了高质量基因组图谱,汪阳东团队鉴定了几种重要基因。

樟科花序形态特征是樟科分类的一个重要依据。通常,樟科花序有圆锥花序、穗状花序、总状花序、伞形花序。陈益存介绍,基于山苍子基因组及樟科13属28个物种花器官的转录组数据,他们发现,一个高度保守的参与花序形态发生的基因PETAL LOSS(FUWA)所构建的花序系统发育与樟科物种的系统进化对应,揭示了樟科花序从穗状花序、穗状圆锥花序向聚伞形圆锥花序、假伞形花序,到伞形花序演变的规律。

那么,山苍子和樟科树种特有的香味从何而来?该团队在高质量基因组图谱基础上,解析了关键化合物形成的分子机制。

芳樟醇、桉叶油醇、柠檬醛、α/β蒎烯、莰烯、香叶醇等单萜化合物是樟科精油的主要成分,如山苍子精油中单萜化合物高达98%。单萜化合物决定了精油的品质,具有抗病毒、消炎和杀菌的作用。

陈益存介绍,他们通过比较基因组分析发现,单萜合酶Mono-TPS在樟科发生了显著扩张。单萜合酶主要催化单萜化合物合成。

为进一步挖掘调控主要单萜化合物合成的关键基因,他们采用同源和异源瞬时表达,以及体外酶活验证,鉴定了调控樟科及山苍子精油主要化合物合成的关键酶基因LcuTPS42

山苍子单萜合酶进化分析及功能验证 亚林所供图

钱前评价道,汪阳东团队以山苍子为研究对象做出的最新成果,揭示了单萜合酶基因家族在樟科中的演化,有效促进了樟科植物单萜化合物的多样性和特异性,对揭示樟科植物的生物学特性、指导樟科遗传育种研究,特别是加速分子育种进程具有指导作用。

汪阳东告诉记者,下一步,基于基因组数据,结合大群体,他们将进行山苍子精油品质和产量相关的分子标记精准预测研究;结合建立的山苍子遗传转化体系,进一步挖掘、鉴定和应用山苍子精油产量和品质的主效基因,为山苍子遗传改良提供基础;同时进一步挖掘樟科性别相关分子标记,为开展山苍子苗期性别鉴定奠定基础。

 
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