苦瓜T2T基因組發(fā)布！該研究揭示了‘金鈴子’基因組組成和進(jìn)化關(guān)系以及果實(shí)生長(cháng)發(fā)育的分子調控機制

近日，北京市農林科學(xué)院農產(chǎn)品加工與食品營(yíng)養研究所左進(jìn)華研究員團隊聯(lián)合美國賓夕法尼亞州立大學(xué)馬紅教授團隊完成超高質(zhì)量苦瓜變種‘金鈴子’T2T基因組。主要研究成果“Telomere-to-telomere genome assembly of bitter melon (Momordica charantia L. var.?abbreviata Ser.) reveals fruit development, composition and ripening genetic characteristics”在線(xiàn)發(fā)表于園藝TOP期刊Horticulture Research。該研究揭示了‘金鈴子’基因組組成和進(jìn)化關(guān)系以及果實(shí)生長(cháng)發(fā)育的分子調控機制，進(jìn)一步細化了苦瓜亞種材料差異表型的基因組變異特征，以及果實(shí)品質(zhì)的關(guān)鍵信息。本研究是該團隊在葫蘆科領(lǐng)域的完成的第3個(gè)高質(zhì)量基因組，為葫蘆科系統發(fā)育與應用研究起到了重要的推動(dòng)作用。百邁客張學(xué)雯、余瑩作為共同作者，參與了本項研究。

?研究背景

葫蘆科苦瓜的變種‘金鈴子’（Momordica charantia?L. var. abbreviata?Ser. (Mca)），又稱(chēng)為癩葡萄，主要分布在南亞、東南亞和中國。其果實(shí)個(gè)體略小于苦瓜（M. charantia?L. (MC)），具有重要的食用、觀(guān)賞與保健等功能。在果實(shí)成熟過(guò)程中，果皮從綠色變?yōu)辄S色/橙色，果肉從苦味的白色變?yōu)楦侍鸬募t色。其因口味和營(yíng)養成分而聞名，但高質(zhì)量基因組的缺乏不利于相關(guān)分子機制的研究，阻礙了進(jìn)一步的應用。

Telomere-to-telomere（T2T）基因組是指通過(guò)多種測序平臺、高深度測序，完成端粒與著(zhù)絲粒組裝的gap-free或近gap-free高質(zhì)量基因組。T2T基因組的構建將進(jìn)一步助力物種基因組中復雜區域的解析，尤其是早期難以被破解的“黑色領(lǐng)域”，可為‘金鈴子’深度研究提供重要的基礎信息。

材料方法

Denovo測序： survey 21.28 Gb（~74.31×）；HiFi 31 Gb（~103.96×）；Hi-C 51 Gb（~178 X）

RNA-seq：三個(gè)不同成熟期的果皮；每個(gè)材料3個(gè)生物學(xué)重復。

ATAC-seq：三個(gè)不同成熟期的果肉；每個(gè)材料3個(gè)生物學(xué)重復。

代謝組：三個(gè)成熟期的果肉和果皮; 每個(gè)材料3個(gè)生物學(xué)重復；HPLC-MS

研究結果

1、金鈴子T2T基因組組裝

調研圖結果顯示，金鈴子基因組大小286.40 Mb，雜合度0.12%，較低的雜合與重復使得更高質(zhì)量的基因組組裝成為可能。本研究基于高深度的HiFi reads組裝以及Hi-C輔助染色體掛載，最終完成296 Mb苦瓜金鈴子基因組的組裝（contigN50=25.3 Mb；掛載率99.87%），注釋出20,068個(gè)基因。組裝結果顯示金鈴子11條染色體中均檢測到著(zhù)絲粒信號，且8條染色體上均無(wú)gap存在，其中6條染色體既gapfree同時(shí)也檢測到兩端的端粒信號（CCCTAAA）_n。

通過(guò)二代數據回比、三代數據回比、CEGMA評估（98.69%）、BUSCO評估（98.02%）、Mercury評估（integrity= 99.6%；QV=45.2；error rate ~0.003%）等多項評估顯示，本次研究構建了一個(gè)具有高完整性和準確性的的端粒至端粒的超高質(zhì)量苦瓜金鈴子基因組。這種高質(zhì)量的無(wú)間隙基因組有助于探究該物種的基因奧秘。

2、比較基因組學(xué)與變異比較分析

研究顯示，苦瓜在115.08-120.42 Mya時(shí)從其他近緣種中分化出來(lái)，0.53-52.49 Mya金鈴子與苦瓜發(fā)生分化。共線(xiàn)性分析顯示，在甜瓜、絲瓜、‘金鈴子’中檢測到了在馴化過(guò)程中對果實(shí)成熟和風(fēng)味形成起作用的幾個(gè)共線(xiàn)基因，主要參與植物激素信號轉導、葫蘆素和類(lèi)胡蘿卜素合成途徑。

‘金鈴子’的特有基因家族成員與RNA聚合酶、倍半萜和三萜生物合成、嘌呤代謝和光合作用-天線(xiàn)蛋白有關(guān)。金鈴子中擴張基因家族與光合作用、苯丙氨酸代謝和二萜生物合成有關(guān)，而收縮基因家族與亞油酸代謝和二甾生物合成相關(guān)。

隨后作者將‘金鈴子’與苦瓜進(jìn)行比對，以分析亞種材料間關(guān)鍵的變異信息。研究結果顯示，兩個(gè)材料間存在211,329個(gè)SNPs和100,187個(gè)InDels，并檢測到374個(gè)SV，即39個(gè)TRANs、18個(gè)INV和317個(gè)DUP。這些SVs主要影響編碼萜類(lèi)合成酶10（TPS10）、聚半乳糖醛酸酶（PG）、黃酮醇合成酶（FLS）等基因，這些基因與植物激素、果實(shí)質(zhì)地和萜烯代謝有關(guān)。PAV檢測中，發(fā)現僅在‘金鈴子’中存在的基因主要參與倍半萜和三萜生物合成、甘油脂代謝和甘油磷脂代謝，這些基因可能在‘金鈴子’進(jìn)化中發(fā)揮重要作用，并最終影響其表型特征和功能特性。

3、金鈴子果實(shí)生長(cháng)發(fā)育研究

染色質(zhì)的開(kāi)放區包含轉錄因子結合位點(diǎn)（TFBS），在轉錄因子（TFs）介導的基因表達調控中發(fā)揮重要作用。因此，作者通過(guò)對‘金鈴子’三個(gè)時(shí)期的果實(shí)材料進(jìn)行ATAC-seq分析，以確定在生長(cháng)過(guò)程中差異的染色質(zhì)開(kāi)放區域。研究發(fā)現，未成熟果實(shí)與破色期果實(shí)中，6號染色體上存在差異染色質(zhì)開(kāi)放區，主要是與類(lèi)胡蘿卜素途徑和植物激素信號傳導相關(guān)的基因；破色期與成熟期果實(shí)相比，3號染色體上存在差異染色質(zhì)開(kāi)放區，主要的影響基因有乙烯應答轉錄因子WRI1、乙烯應答轉錄轉錄因子ERF118和生長(cháng)素應答因子1（ARF1）等。

?為了更全面地了解‘金鈴子’果實(shí)的發(fā)育成熟過(guò)程，作者對‘金鈴子’果實(shí)三個(gè)不同生長(cháng)發(fā)育期的轉錄組和代謝組進(jìn)行了系統分析。在果實(shí)生長(cháng)發(fā)育前期，共鑒定出515個(gè)差異基因和216個(gè)差異代謝物，在果實(shí)生長(cháng)發(fā)育后期，鑒定出4593個(gè)差異基因和376個(gè)差異代謝物，這些差異基因和差異代謝物參與調控‘金鈴子’果實(shí)生長(cháng)發(fā)育過(guò)程中葫蘆素、皂苷、植物激素、氨基酸、脂類(lèi)、類(lèi)胡蘿卜素等的生物合成和代謝過(guò)程。這些差異決定了‘金鈴子’果實(shí)的品質(zhì)、營(yíng)養價(jià)值以及果皮顏色的變化，為苦瓜基因組研究提供了一個(gè)新的遺傳資源。

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