中國農科院蔬菜花卉所構建茄科種間泛基因組

核心提示：近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設計育種創新團隊以茄科物種的46個高質量基因組爲基礎，構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徵和機制，以及多拷貝基因的功能分化等，爲茄科物種的比較進化研究和功能基因的挖掘與育種應用提供了重要依據。……（世界食品網-www.shijieshipin.com）

近日，中國農業科學院蔬菜花卉研究所蔬菜分子設計育種創新團隊以茄科物種的46個高質量基因組爲基礎，構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徵和機制，以及多拷貝基因的功能分化等，爲茄科物種的比較進化研究和功能基因的挖掘與育種應用提供了重要依據。研究成果以“SolPGD: Solanaceae Pan-genomes Reveal Extensive Fractionation and Functional Innovation of Duplicated Genes”爲題發表在《Plant Communications》。

茄科植物在農業上具有重要地位，包括番茄、辣椒、馬鈴薯、茄子、菸草等模式作物或重要經濟作物，以及枸杞、菇娘果和人蔘果等孤兒作物，作物類型豐富，果實形態、代謝物和適應性等多樣性強。近十年來，番茄等模式作物的研究取得了顯著進展，但茄科其它物種如孤兒作物等的研究相對落後，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律，對利用模式作物的研究成果促進其他物種的研究具有重要意義。

該研究基於208個的茄科植物測序基因組中的46個高質量基因組（三代測序數據組裝），根據嚴格的物種分化時間（不低於6百萬年）和基因組完整性篩選，選定30個基因組用於泛基因組的構建和分析。這些基因組覆蓋了茄科的主要種屬，爲跨物種比較分析奠定了基礎。通過基因組共線性分析，共鑑定出43,395個共線性基因家族。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的蛋白質序列、更高的功能保守性及表達水平，表明這些基因在茄科植物的基礎生物學功能中的重要作用。研究發現，茄科物種間的基因丟失主要通過假基因化（53%）與基因轉座（11%）等機制發生。其中，gypsy-ltr類型轉座子（te）與假基因化相關，而helitron類型te與基因轉座相關。

研究進一步以9個非茄科的二倍體基因組爲參考，系統解析了茄科物種特有的全基因組古三倍化（T事件，發生於65百萬年前），並精確鑑定了T事件產生的多拷貝基因。該基因集對於研究和追溯茄科植物關鍵功能基因的起源和分化具有重要價值。以花發育ABCDE基因模型爲例，研究發現茄科A和E基因家族的所有基因起源於一個古老的串聯複製事件（tandem duplication）產生的兩個同源基因，並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）及其後續的基因丟失等擴展爲10個同源基因。這些基因在茄科物種間高度保守。多個高保留基因在番茄、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模式，表明其在不同物種中具有功能保守性。

爲了更好的服務於本領域的研究人員，基於208個茄科基因組數據、種間和種內泛基因組數據，以及古多倍化T同源基因等，開發了功能豐富的茄科泛基因組數據庫（SolPGD，http://www.bioinformaticslab.cn/SolPGD）。SolPGD支持茄科基因組數據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，爲推動茄科物種的科學研究與育種應用提供支持。

綜上，本研究通過植物“科”水平的種間泛基因組構建分析，爲茄科植物的基因組演化和基因功能分化提供了新的視角，爲本領域研究人員提供了茄科基因組比較和基因挖掘的重要數據庫平臺。

中國農業科學院蔬菜花卉研究所博士生張令奎、劉遠航和碩士畢業生黃議樂爲該論文的共同第一作者；程鋒研究員、張亢研究員爲該論文的共同通訊作者。本研究得到了蔬菜生物育種全國重點實驗室、國家自然科學基金、中國農業科學院科技創新工程項目、農業農村部園藝作物生物學與遺傳改良重點實驗室的資助。

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

日期：2024-12-30