近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以茄科物種的46個(gè)高質(zhì)量基因組為基礎(chǔ)，構(gòu)建了茄科跨物種泛基因組，探究了種間演化尺度下基因組的變化特征和機(jī)制，以及多拷貝基因的功能分化等，為茄科物種的比較進(jìn)化研究和功能基因的挖掘與育種應(yīng)用提供了重要依據(jù)。研究成果以“SolPGD: Solanaceae Pan-genomes Reveal Extensive Fractionation and Functional Innovation of Duplicated Genes”為題發(fā)表在《Plant Communications》。

 

　　茄科植物在農(nóng)業(yè)上具有重要地位，包括番茄、辣椒、馬鈴薯、茄子、煙草等模式作物或重要經(jīng)濟(jì)作物，以及枸杞、菇娘果和人參果等孤兒作物，作物類型豐富，果實(shí)形態(tài)、代謝物和適應(yīng)性等多樣性強(qiáng)。近十年來，番茄等模式作物的研究取得了顯著進(jìn)展，但茄科其它物種如孤兒作物等的研究相對(duì)落后，育種潛力未被充分挖掘。建立茄科跨物種泛基因組，解析種間基因保留與丟失的規(guī)律，對(duì)利用模式作物的研究成果促進(jìn)其他物種的研究具有重要意義。

 

　　該研究基于208個(gè)的茄科植物測(cè)序基因組中的46個(gè)高質(zhì)量基因組（三代測(cè)序數(shù)據(jù)組裝），根據(jù)嚴(yán)格的物種分化時(shí)間（不低于6百萬年）和基因組完整性篩選，選定30個(gè)基因組用于泛基因組的構(gòu)建和分析。這些基因組覆蓋了茄科的主要種屬，為跨物種比較分析奠定了基礎(chǔ)。通過基因組共線性分析，共鑒定出43,395個(gè)共線性基因家族。提出了適合種間泛基因組的基因家族分類方式：高保留基因（>80%以上物種共有）、中保留基因（20%–80%物種共有）、低保留基因（<20%物種共有）。高保留基因具有更長(zhǎng)的蛋白質(zhì)序列、更高的功能保守性及表達(dá)水平，表明這些基因在茄科植物的基礎(chǔ)生物學(xué)功能中的重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，茄科物種間的基因丟失主要通過假基因化（53%）與基因轉(zhuǎn)座（11%）等機(jī)制發(fā)生。其中，gypsy-ltr類型轉(zhuǎn)座子（te）與假基因化相關(guān)，而helitron類型te與基因轉(zhuǎn)座相關(guān)。

 

　　研究進(jìn)一步以9個(gè)非茄科的二倍體基因組為參考，系統(tǒng)解析了茄科物種特有的全基因組古三倍化（T事件，發(fā)生于65百萬年前），并精確鑒定了T事件產(chǎn)生的多拷貝基因。該基因集對(duì)于研究和追溯茄科植物關(guān)鍵功能基因的起源和分化具有重要價(jià)值。以花發(fā)育ABCDE基因模型為例，研究發(fā)現(xiàn)茄科A和E基因家族的所有基因起源于一個(gè)古老的串聯(lián)復(fù)制事件（tandem duplication）產(chǎn)生的兩個(gè)同源基因，并通過兩次全基因組古三倍化事件（真雙子葉植物共有的γ事件和茄科T事件）及其后續(xù)的基因丟失等擴(kuò)展為10個(gè)同源基因。這些基因在茄科物種間高度保守。多個(gè)高保留基因在番茄、辣椒等模式作物以及枸杞、菇娘果等孤兒作物中具有相似的基因表達(dá)模式，表明其在不同物種中具有功能保守性。

 

　　為了更好的服務(wù)于本領(lǐng)域的研究人員，基于208個(gè)茄科基因組數(shù)據(jù)、種間和種內(nèi)泛基因組數(shù)據(jù)，以及古多倍化T同源基因等，開發(fā)了功能豐富的茄科泛基因組數(shù)據(jù)庫（SolPGD，http://www.bioinformaticslab.cn/SolPGD）。SolPGD支持茄科基因組數(shù)據(jù)和各類同源基因家族的多維度查詢，以及孤兒作物與模式作物間基因功能相似性的比較查詢，為推動(dòng)茄科物種的科學(xué)研究與育種應(yīng)用提供支持。

 

　　綜上，本研究通過植物“科”水平的種間泛基因組構(gòu)建分析，為茄科植物的基因組演化和基因功能分化提供了新的視角，為本領(lǐng)域研究人員提供了茄科基因組比較和基因挖掘的重要數(shù)據(jù)庫平臺(tái)。

 

　　中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所博士生張令奎、劉遠(yuǎn)航和碩士畢業(yè)生黃議樂為該論文的共同第一作者；程鋒研究員、張亢研究員為該論文的共同通訊作者。本研究得到了蔬菜生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物生物學(xué)與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。

 

　　原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590346224006527?via%3Dihub