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PBJ | 福建农林大学麻类研究室率先公布黄麻2个高质量参考基因组

已有 709 次阅读 2021-7-10 11:15 |个人分类:Research articles|系统分类:论文交流

 

2021625日,福建农林大学麻类研究室联合该校基因组与生物技术中心在国际生物技术著名期刊《Plant Biotechnology Journal》(植物科学1TOP期刊,IF=9.803)在线发表了题为“Reference genomes of the two cultivated jute species”的研究论文(https://doi.org/10.1111/pbi.13652)。该研究首次公布了黄麻两个栽培种的参考基因组。

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黄麻(Jute),又称络麻、绿麻,是一年生草本韧皮纤维作物。中国是世界上最古老的黄麻生产国和起源地之一,最早记载于《图经本草》(公元1061年),其种植历史已有近千年。黄麻属(Corchorus)有100多个种,生产上具有栽培价值的有圆果种(Corchorus capularis)和长果种(C. olitorius),两者具有不同生长习性,存在生殖隔离,皆为二倍体(2n=14),主要在孟加拉、印度和中国等国家种植。在世界范围内,黄麻的产量和种植面积仅次于棉花,是麻纺工业的重要原料,其纤维产量占世界上麻类纤维总产量的80%,每年黄麻生产产值达到23亿美元(http://www.fao.org/)。除了利用麻纤维,黄麻多功能用途还拓展到菜用、盐碱地修复用、茶用、重金属吸附用等。

率先公布黄麻染色体水平的参考基因组

本研究以黄麻国家区域试验对照品种圆果种“黄麻179” 和长果种“宽叶长果”为材料,采用二代+三代的测序策略,同时结合Hi-C染色体构象捕获技术,首次完成黄麻染色体水平全基因组测序和组装工作,其基因组大小分别为336 Mbp361 Mbpcontig N50分别为46 Mb50 Mb,分别鉴定到25,874个和28,479个蛋白编码基因。比较基因组学分析发现,黄麻和雷蒙德氏棉之间的物种分化发生在3,800万年前。尽管黄麻两个栽培种表现出良好的共线性,但长果种黄麻基因组比圆果种多25 Mbp,包含有13个假定的倒位,可能是两者具有不同生长习性和生殖隔离的重要原因。

黄麻基因组论文2.jpg

黄麻的起源与驯化

为了更好地解析黄麻的起源与驯化,对来自世界各地的300份不同的黄麻种质资源(242份圆果种黄麻品种(系)、57份长果种黄麻品种(系)和1份近缘种假黄麻)进行了重测序。群体遗传学分析显示,黄麻在20,000年前开始出现瓶颈事件,与水稻出现瓶颈事件的时期比较接近,反映了原始人类社会对基本需求(衣和食)的同步性。在末次盛冰期(Last Glacial Maximum, LGM),圆果种黄麻仅存在于亚洲南部,而长果种黄麻存在于非洲东部和亚洲南部。随着非洲东部气温的升高和干旱的加剧,非洲黄麻种质资源日趋匮乏,而亚洲南部雨量充沛、环境适宜,逐步成为黄麻的主要生产地,表明黄麻种质资源分布的变化与人类活动和环境变化密切相关。暗示着长果种黄麻为起源于非洲东部并于亚洲南部经过第二次驯化,而圆果种黄麻为起源并驯化于亚洲南部。

黄麻基因组论文3.jpg


黄麻纤维品质重要遗传位点的挖掘

与锦葵科棉属的种皮纤维不同,黄麻利用的是次生韧皮部纤维。利用转录组测序,挖掘了黄麻韧皮部纤维形成相关基因,包括木质素和纤维素的合成途径上参与调控的基因,以及影响纤维起始伸长的调控基因。基因拷贝数分析表明,大部分黄麻韧皮部纤维形成相关基因与拟南芥及其他纤维作物的基因拷贝数相当,没有发生显著扩增,暗示着麻类韧皮部纤维发育与基因拷贝数无关,而主要与基因表达丰度有关。

圆果种和长果种黄麻应答GA3处理的表达模式分析表明,类纤维素合酶(cellulase synthase-like, CSL)基因在黄麻韧皮部纤维发育中存在功能分化;赤霉素GA3处理下,大多数木质素合成途径基因的表达量显著降低,暗示着赤霉素处理下可以通过降低木质素合成途径基因的表达量来改善黄麻的纤维品质。

黄麻基因组论文4.jpg


全基因组关联分析(GWAS)鉴定了数百个控制纤维品质相关性状(包括纤维细度、纤维素含量和木质素含量)的重要基因位点。结合选择性清除分析发现,纤维细度QTL的微丝酶家族蛋白CcSFP1、蛋白质精氨酸甲基转移酶CcPRMT7等候选基因位于选择性清除区域,推测这些基因受到了驯化选择。利用竞争性等位基因特异性PCR(Kompetitive Allele Specific PCR, KASP)和转基因技术验证了控制黄麻纤维品质的候选基因CcCOBRA1和CcC4H1的功能。这些基因的挖掘,可为黄麻纤维品质的遗传改良提供了关键基因位点。

黄麻基因组论文5.jpg


福建农林大学麻类研究室自1948年以来,以黄麻、红麻为主要研究对象,坚持了70余年的麻类作物遗传育种与综合利用研究。这是继福建农林大学作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室/农学院麻类研究室20200123日在PBJ发表了题为The genome of kenaf (Hibiscus cannabinus L.) provides insights into bast fibre and leaf shape biogenesis”的红麻参考基因组(https://doi.org/10.1111/pbi.13341,又一力作。福建农林大学农学院麻类研究室博士研究生张力岚、徐益,基因组与生物技术中心马晓开、张兴坦为论文的共同第一作者,福建农林大学麻类研究室主任张立武教授为通讯作者。研究得到国家自然科学基金项目(31771369, 31972968)和国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-19-E06)经费资助。 


Zhang, L., Ma, X., Zhang, X., Xu, Y., Ibrahim, A. K., Yao, J., Huang, H., Chen, S., Liao, Z., Zhang, Q., Niyitanga, S., Yu, J., Liu, Y., Xu, X., Wang, J., Tao, A., Xu, J., Chen, S., Yang, X., He, Q., Lin, L., Fang, P., Zhang, L., Ming, R., Qi, J. and Zhang, L. (2021) Reference genomes of the two cultivated jute species. Plant Biotechnol. J., https://doi.org/10.1111/pbi.13652


原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/ pbi.13652





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1 杨卫东

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