空間轉錄組測序技術(shù)助力西北大學(xué)趙鵬教授團隊揭示核桃果殼基因組變異和遺傳網(wǎng)絡(luò )調控機制

近日，西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院趙鵬教授團隊在植物學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊The Plant Journal（中科院1區top）在線(xiàn)發(fā)表了題為“Integrated multi-omics analyses provide new insights into genomic variation landscape and regulatory network candidate genes associated with walnut endocarp”的研究論文。

通過(guò)對多組學(xué)數據的深度整合分析，該研究全面探究了重要木本經(jīng)濟植物核桃（Juglans regia）及其近緣種在基因組層面的遺傳變異特征。同時(shí)，深入剖析了核桃果實(shí)發(fā)育過(guò)程中的轉錄代謝調控機制，揭示了表觀(guān)遺傳修飾以及空間轉錄調控在其中的關(guān)鍵作用，并對相關(guān)候選基因的功能進(jìn)行了系統分析。該研究為深入理解核桃果殼基因變異及其網(wǎng)絡(luò )遺傳調控機制提供了全新的視角和理論依據，為推動(dòng)核桃分子育種技術(shù)的創(chuàng )新發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎。

百邁客生物為該研究提供了植物空間轉錄組測序服務(wù)。

研究背景

核桃（Juglans regia）是一種具有重要經(jīng)濟價(jià)值的堅果油料樹(shù)種；其果實(shí)具有堅硬的內果皮/果殼以保護種子，這在其進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，而果殼厚度是核桃育種的一個(gè)重要性狀。然而，與核桃果殼發(fā)育相關(guān)的基因組景觀(guān)和基因調控網(wǎng)絡(luò )尚未得到系統的闡明。

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該研究組裝注釋了核桃品種“香玲”的高質(zhì)量基因組，并構建了涵蓋八個(gè)胡桃屬物種的圖形結構泛基因組，以揭示基因組水平上的遺傳變異。重新測序了285份樣本，揭示了其群體基因組景觀(guān)變異圖譜。通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS），研究發(fā)現了19個(gè)與核桃馴化和改良過(guò)程中受到選擇的268多個(gè)位點(diǎn)相關(guān)的基因座。

圖1-核桃比較基因組學(xué)與遺傳變異分析

圖2-核桃果殼/內果皮十一個(gè)發(fā)育階段基因轉錄調控網(wǎng)絡(luò )及動(dòng)態(tài)形態(tài)變化

通過(guò)對十一個(gè)發(fā)育階段的轉錄組學(xué)、代謝組學(xué)、DNA甲基化和空間轉錄組學(xué)等多組學(xué)分析，揭示了多個(gè)與次生細胞生物合成和木質(zhì)素積累相關(guān)的候選基因，例如UGP、MYB308、MYB83、NAC043、NAC073、CCoAOMT1、CCoAOMT7、CHS2、CESA7、LAC7、COBL4和IRX12。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中過(guò)表達JrUGP和JrMYB308驗證了它們在木質(zhì)素生物合成和細胞壁加厚中的作用。

研究結論

植物的果實(shí)特征，包括核桃（Juglans）的堅硬內果皮，在種子傳播、農業(yè)生產(chǎn)效率和遺傳多樣性方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，其中殼厚對核桃的生產(chǎn)和育種有著(zhù)顯著(zhù)影響。綜合多組學(xué)分析探究了核桃殼厚度這一關(guān)鍵性狀以及與木質(zhì)素積累和細胞壁增厚相關(guān)的內果皮發(fā)育，為木本作物的遺傳學(xué)和調控機制提供了新的見(jiàn)解，助力基于基因組信息的改良育種策略。全面多組學(xué)研究結果為核桃的遺傳變異和內果皮發(fā)育及果殼厚度的網(wǎng)絡(luò )調控提供了新的見(jiàn)解，并為核桃品種改良的基因組信息育種策略提供了可能。

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