近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)徐強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)與西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院曾秀麗研究員團(tuán)隊(duì)通過群體代謝組學(xué)鑒定了379個代謝物與海拔高度關(guān)聯(lián)，特別是苯丙烷、有機(jī)酸、脂類以及萜烯類代謝物；破譯了3個高原李屬物種的基因組，發(fā)現(xiàn)高原李屬基因組SINE（短分散重復(fù)序列）型轉(zhuǎn)座子的激活及擴(kuò)增；挖掘到62個SINE與代謝物信號共定位，尤其是在類黃酮位點(diǎn)的SINE型轉(zhuǎn)座子在光核桃和栽培桃以及光核桃高低海拔之間表現(xiàn)出了多態(tài)性，揭示了SINE型轉(zhuǎn)座子在促進(jìn)積累適應(yīng)逆境的黃酮代謝物的重要作用，為理解青藏高原多年生果樹作物適應(yīng)高海拔的遺傳基礎(chǔ)提供了新的認(rèn)識，也為利用青藏高原特殊種質(zhì)資源奠定了重要基礎(chǔ)。7月26日，該合作成果在Current Biology發(fā)表，題為“Genomic basis of high-altitude adaptation in Tibetan Prunus fruit trees”。

 

　　青藏高原地理位置特殊，氣候環(huán)境獨(dú)特，同時也蘊(yùn)藏著大量特色鮮明的種質(zhì)資源，尤其是喜馬拉雅地區(qū)植物的起源和高海拔適應(yīng)性一直都是普遍關(guān)注的科學(xué)問題。光核桃（Prunus mira）又名西藏桃，主要分布于西藏地區(qū)，是世界上海拔最高、能在野外開花結(jié)實(shí)的多年生木本經(jīng)濟(jì)作物之一，是桃的活化石。光核桃壽命（100-1000年）顯著高于栽培桃（20-30年），具有很強(qiáng)的耐寒、耐旱和抗病等優(yōu)良特性。受限于青藏高原的交通阻礙以及極端的高原環(huán)境（低氧、低溫和高紫外等）的影響，人們對大規(guī)模自然分布于青藏高原的多年生果樹適應(yīng)高海拔的遺傳基礎(chǔ)還知之甚少。

 

　　西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院曾秀麗研究團(tuán)隊(duì)在喜馬拉雅地區(qū)連續(xù)進(jìn)行了十余年的野外資源考察，系統(tǒng)收集了西藏分布的桃、梅、杏和李等李屬植物。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)對377份分布于海拔2067米至4498米的光核桃及西藏李屬資源進(jìn)行了精細(xì)評價，組裝了光核桃、藏梅和藏杏的基因組，其中光核桃基因組接近染色體水平，為迄今質(zhì)量最高的李屬植物基因組。該研究通過三對代表李屬物種的比較基因組分析，發(fā)現(xiàn)西藏來源的李屬物種的基因組中SINE型反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量發(fā)生了顯著的擴(kuò)增。通過對極端高海拔光核桃和極端低海拔光核桃的群體比較，發(fā)現(xiàn)不同海拔的光核桃基因組出現(xiàn)了明顯的遺傳分化，并且光尤其是UV逆境信號相關(guān)的基因顯著富集于出現(xiàn)遺傳分化的基因中。

 

　　利用自然分布于不同海拔的275份光核桃資源進(jìn)行了果實(shí)代謝物含量變異的遺傳剖析。共對1768個代謝物質(zhì)進(jìn)行了定量檢測，發(fā)現(xiàn)379個與海拔適應(yīng)性高度關(guān)聯(lián)，其中苯丙烷類物質(zhì)含量與海拔高度呈現(xiàn)正相關(guān)?；趍GWAS（代謝物全基因組關(guān)聯(lián)分析）定位結(jié)果，在光核桃群體中鑒定到62個SINE插入與栽培桃差異積累代謝物共定位。在控制3-O-阿魏?？鼘幩岱e累的候選基因（一個NAC（轉(zhuǎn)錄因子）基因）啟動子中檢測到兩個轉(zhuǎn)座子（SINE1和SINE2）的插入，其中SINE2的插入普遍出現(xiàn)在高海拔光核桃材料中，并且與候選的NAC基因表達(dá)及3-O-阿魏酰奎寧酸的含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)；SINE1在光核桃和栽培桃中表現(xiàn)出多態(tài)性。光核桃群體的基因組和代謝組證據(jù)表明SINE型轉(zhuǎn)座子的擴(kuò)增通過促進(jìn)有益代謝物的積累，以幫助西藏李屬植物適應(yīng)喜馬拉雅高原的惡劣環(huán)境。

 

　　該研究由西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院蔬菜研究所、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)合作完成。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后王霞、碩士研究生劉勝軍、博士研究生左昊和鄭偉康、西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院蔬菜研究所張姍姍助理研究員為論文共同第一作者，西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院蔬菜研究所曾秀麗研究員和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)徐強(qiáng)教授為共同通訊作者。此外，參與該項(xiàng)目的人員還有鄧秀新教授、Robert M. Larkin教授、劉軍偉副研究員、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生黃躍等，西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院蔬菜研究所的格桑平措、紅英、趙凡、李媛蓉，中科院昆明植物研究所的伊廷雙研究員，以及瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)的昝艷君博士。該研究獲國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、西藏自治區(qū)財政專項(xiàng)資金項(xiàng)目、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目、博后科學(xué)基金和博新計劃的項(xiàng)目資金資助。該研究的前期資源考察獲得了西藏自治區(qū)科技廳自然基金和重點(diǎn)研發(fā)等項(xiàng)目的資助，特此致謝。

 

　　圖1青藏高原植物光核桃適應(yīng)高海拔的遺傳基礎(chǔ)的模型在極端的環(huán)境下，SINE轉(zhuǎn)座子爆發(fā)和跳躍以及適應(yīng)逆境的代謝物積累（中間圖），SINE轉(zhuǎn)座子插入苯丙烷代謝物調(diào)控基因以進(jìn)一步促進(jìn)適應(yīng)逆境代謝物的積累從而在高海拔地區(qū)適應(yīng)并長期生存。

　　圖1青藏高原植物光核桃適應(yīng)高海拔的遺傳基礎(chǔ)的模型

 

　　在極端的環(huán)境下，SINE轉(zhuǎn)座子爆發(fā)和跳躍以及適應(yīng)逆境的代謝物積累（中間圖），SINE轉(zhuǎn)座子插入苯丙烷代謝物調(diào)控基因以進(jìn)一步促進(jìn)適應(yīng)逆境代謝物的積累從而在高海拔地區(qū)適應(yīng)并長期生存。

 

　　原文鏈接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S0960-9822%2821%2900891-5

 

　　摘要：

 

　　The Great Himalayan Mountains and their foothills are believed to be the place of origin and development of many plant species. The genetic basis of adaptation to high plateaus is a fascinating topic that is poorly understood at the population level. We comprehensively collected and sequenced 377 accessions of Prunus germplasm along altitude gradients ranging from 2,067 to 4,492 m in the Himalayas. We de novo assembled three high-quality genomes of Tibetan Prunus species. A comparative analysis of Prunus genomes indicated a remarkable expansion of the SINE retrotransposons occurred in the genomes of Tibetan species. We observed genetic differentiation between Tibetan peaches from high and low altitudes and that genes associated with light stress signaling, especially UV stress signaling, were enriched in the differentiated regions. By profiling the metabolomes of Tibetan peach fruit, we determined 379 metabolites had significant genetic correlations with altitudes and that in particular phenylpropanoids were positively correlated with altitudes. We identified 62 Tibetan peach-specific SINEs that colocalized with metabolites differentially accumualted in Tibetan relative to cultivated peach. We demonstrated that two SINEs were inserted in a locus controlling the accumulation of 3-O-feruloyl quinic acid. SINE1 was specific to Tibetan peach. SINE2 was predominant in high altitudes and associated with the accumulation of 3-O-feruloyl quinic acid. These genomic and metabolic data for Prunus populations native to the Himalayan region indicate that the expansion of SINE retrotransposons helped Tibetan Prunus species adapt to the harsh environment of the Himalayan plateau by promoting the accumulation of beneficial metabolites.