近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院張碩新教授課題組在植物學(xué)和園藝學(xué)知名期刊《Horticulture Research》發(fā)表了題為“Pan-genome and transcriptome analyses provide insights into genomic variation and differential gene expression profiles related to disease resistance and fatty acid biosynthesis in eastern black walnut （Juglans nigra）”的研究論文，該研究組以黑胡桃為主要研究對(duì)象，對(duì)西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院試驗(yàn)苗圃采集的個(gè)體（NWAFU168）進(jìn)行了高質(zhì)量染色體水平基因組組裝注釋，揭示了黑胡桃物種群體動(dòng)態(tài)歷史，通過(guò)泛基因組學(xué)比較發(fā)現(xiàn)了胡桃屬植物基因組層面遺傳變異，分析了抗病相關(guān)基因家族NBS-LRR演化及表達(dá)模式，鑒定了黑胡桃油脂合成代謝通路差異表達(dá)基因，為黑胡桃基因組學(xué)和分子育種提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 

　　黑胡桃（Juglans nigra，2n=“32）隸屬于胡桃科胡桃屬，也稱為東部黑胡桃（eastern” black walnut, EBW），為重要的木本經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，是優(yōu)質(zhì)的木材原料，油脂蛋白含量高且營(yíng)養(yǎng)豐富。該樹(shù)種也作為栽培核桃（Juglans regia）砧木的重要資源。黑胡桃作為重要的木本經(jīng)濟(jì)植物，其遺傳基因組學(xué)研究亟需深入研究。該課題組基于前期研究基礎(chǔ)，利用三代測(cè)序技術(shù)（Pacbio）、Hi-C測(cè)序、不同組織三代全轉(zhuǎn)錄組學(xué)及二代轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序組裝提升得到了高質(zhì)量的染色體水平的黑胡桃基因組：其scaffold N50值為35.1 Mb，99.0%掛載到了16條染色體上，全基因組大小為540.8 Mb，共注釋得到29,506個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，黑胡桃與核桃和胡桃楸（Juglans mandshurica）起源于共同的祖先，且黑胡桃經(jīng)歷了一次全基因組復(fù)制事件（WGD）。

 

　　課題組將新組裝注釋的高質(zhì)量染色體水平黑胡桃基因組為參考，通過(guò)對(duì)黑胡桃組植物74個(gè)個(gè)體進(jìn)行重測(cè)序和動(dòng)態(tài)歷史分析，揭示了黑胡桃有效種群在氣候冰期間迅速減少。比較基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)了黑胡桃、小果胡桃（Juglans microcarpa）和核桃三個(gè)染色體水平基因組之間的共線區(qū)較高，但三個(gè)基因組之間存在600 kb以上的倒置區(qū)域。與小果胡桃和核桃基因組相比，黑胡桃基因組中插入缺失（InDels）總片段大小分別為18.3 Mb和34.9 Mb。注釋結(jié)果表明了這些差異基因主要包含五三肽重復(fù)序列（PPR）、脂肪酸去飽和酶（FAD）和富含亮氨酸重復(fù)序列（LRR）基因家族。

 

　　該研究進(jìn)一步通過(guò)對(duì)黑胡桃開(kāi)花后（days after flowering, DAF）果實(shí)三個(gè)發(fā)育時(shí)期（DAF80、DAF111和DAF140）的果皮、內(nèi)果皮（殼）和胚進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序，分析了黑胡桃三個(gè)時(shí)期在油脂代謝通路中的差異基因表達(dá)水平（differential expressed genes，DEGs），揭示了油脂合成代謝通路中FAD （FATTY ACID DESATURASE）和OLE（OLEOSIN）扮演著重要角色。

 

　　研究者還以黑胡桃和核桃染色體水平基因組為參考，分別鑒定了兩個(gè)物種基因組中的抗病相關(guān)基因NBS-LRR，兩者數(shù)量存在差異。發(fā)現(xiàn)了黑胡桃和核桃

 

　　NBS-LRR基因在第3、4、6、7、11、15號(hào)染色體上共線性高；核桃第3、4、6、7號(hào)染色體共線性區(qū)域NBS-LRR基因成簇存在，而黑胡桃NBS-LRR基因整體呈現(xiàn)均勻分布在16條染色體上，成簇現(xiàn)象不明顯。同源序列表達(dá)模式發(fā)現(xiàn)了黑胡桃JnNBS-LRR121、JnNBS-LRR122、JnNBS-LRR126、JnNBS-LRR222和

 

　　JnNBS-LRR157這5個(gè)基因在抗病果實(shí)中的不同處理下表達(dá)水平均上調(diào)，而與黑胡桃同源的5個(gè)核桃NBS-LRR基因簇在抗病果實(shí)中表達(dá)水平并沒(méi)有上調(diào)，說(shuō)明NBS-LRR基因在兩個(gè)物種果的抗病方面的表達(dá)水平有差異。

 

　　綜上所述，該研究對(duì)黑胡桃基因組進(jìn)行了很大程度的質(zhì)量提升，泛基因組學(xué)比較揭示了胡桃屬植物基因組層面遺傳變異；分析了果實(shí)發(fā)育相關(guān)基因進(jìn)行了基因表達(dá)模式；鑒定了抗病基因家族NBS-LRR并明晰了其在黑胡桃和核桃基因組上的差異；發(fā)現(xiàn)了該植物基因家族演化和油脂代謝的候選基因，為胡桃屬植物提供了高質(zhì)量染色體水平基因組資源數(shù)據(jù)，結(jié)果對(duì)核桃分子育種具有一定的指導(dǎo)意義。

 

　　林學(xué)院張碩新教授和西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院趙鵬教授為該論文的通訊作者，林學(xué)院已畢業(yè)研究生周惠娟博士、博士后郝凡博士和西北大學(xué)在讀博士研究生閆鋒為共同第一作者。美國(guó)普渡大學(xué)Keith Woeste教授和陜西省西安植物園岳明教授參與了該研究。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（32070372，41471038，31800372）、教育部科技專項(xiàng)陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（2060503）、陜西省科學(xué)院研究項(xiàng)目（2019K-06）以及陜西省杰出青年科學(xué)基金（2023-JC-JQ-22）等項(xiàng)目的資助。

 

　　原文鏈接：https://doi.org/10.1093/hr/uhad015