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《Nature Genetics》 百邁客助力破譯同源四倍體甘蔗基因組

日前,福建農林大學基因組研究中心明瑞光課題組首次完成了同源多倍體甘蔗基因組密碼的破譯,該研究成果”Allele-defined genome of the autopolyploid sugarcane?Saccharum spontaneum?L.”于2018年10月8日刊登在Nature Genetics上。本文的通訊作者為明瑞光教授,第一作者為張積森教授。
百邁客有幸也參與了甘蔗基因組組裝的部分工作,我們希望通過此郵件與老師您分享該研究成果,點擊此處即可獲取文獻原文。

英文題目:Allele-defined genome of theautopolyploid sugarcane?Saccharum spontaneum?L.
中文題目:同源多倍體甘蔗(Saccharum spontaneum?L)基因組等位基因鑒定
發表雜志:Nature Genetics
影響因子:27.125
發表時間:2018.10.08
合作單位:福建農林大學基因組與生物技術研究中心

栽培甘蔗的單倍型個體S.spontaneum“AP85-441”(1n = 4x = 32) 進行基因組denovo測序研究。
64份甘蔗(Saccharum spontaneum)群體材料進行遺傳多樣性研究。

二代280-bp和500-bp(PE) 小片段文庫(Illumina HiSeq 2500)
BAC文庫(Illumina HiSeq 2500,PE250);三代大片段文庫~20kb SMRTbellTM(PacbioRSII)
Hi-C文庫(HindIII酶切),500-700bp小片段文庫(HiSeqX ten,PE150)

甘蔗基因組denovo
利用BAC文庫進行二代測序,ALLPATH-LG,SPAdes 和SOAPdenovo2進行初步組裝,進一步利用87X 三代PacBio數據進行糾錯,CANU進行組裝,組裝基因組3.13G,contigN50=45 kb(流式評估基因組大小:3.36G);通過Hi-C染色體掛載技術,針對多倍體染色掛載最新算法ALLHIC,進一步將contig水平提升至染色體水平,掛載率達到93%;通過BUSCO和二代數據回比評估基因組完整性高達97.3%。再通過MAKER對同源多倍體甘蔗特異等位基因進行手動注釋,以獲得高質量的甘蔗基因組

圖1?S. spontaneum?AP85-441染色體與高粱染色體的比對

基礎染色體數目的減少
AP85-441基因組的組裝顯示了S.spontaneum的染色體數目從10降到8,而這與頻繁復制的古復制染色體對相關,通過與高粱的聚類比對,發現高粱祖先5染色體和8號染色體同源物經歷了染色體裂變(圖2)。SbChr05(A12)的祖先染色體斷裂分為兩個主要部分,即C5S(A12S)和C5L(A12L),分別轉移到SbChr06(A2)和SbChr07(A5)的祖先染色體;SbChr8(A11)的祖先染色體斷裂為兩個主要的部分,即C8S(A11S)和C8L(A11L),分別轉移到SbChr09(A6)和SbChr02(A7+ A9)的祖先染色體中。SbChr8和SsChr5之間及SbChr5和SsChr7之間近乎同源的短片段是在高粱與甘蔗分化前,高粱SSA形成于13.4MYA同源基因的殘留物,同時發現,S5中較小的SSA區域和S8中SSA的較大區域在重排的AP85-441基因組中也是保守的。

圖2 禾本科染色體數進化(高粱n= 10到甘蔗n= 8)

S.spontaneum的多倍體化分析
進一步研究發現了甘蔗(Saccharum spontaneum?L.)染色體由高粱(Sorghum)演變進化過程中經歷了染色體斷裂與融合后,發生了兩次WGD事件(圖3);對甘蔗的基因組的多倍化研究中發現,通過兩次全基因組復制事件的發生,導致了甘蔗染色體的自發加倍過程;對同源多倍體甘蔗的特異等位基因的鑒定作為本研究的另一亮點,文章在鑒定等位基因的同時,進一步分析研究了等位基因的表達模式,結果發現不同單倍型表達模式相似,并無明顯差異;對甘蔗C4光合作用的研究中鑒定了24個基因,7種關鍵酶參與NADP-MEC4途徑;在甘蔗中蔗糖對的積累的研究中發現與高粱相比甘蔗中的液泡膜糖轉運蛋白(TSTs,一種蔗糖轉運蛋白)發生了基因家族的擴張,所以推測TSTs參與蔗糖在液泡中的積累;S.spontaneum為現代栽培甘蔗提供了抗病性基因,在對其研究中發現,甘蔗中的80%的NBS編碼基因位于四個重排染色體(Ss02,Ss05,Ss06和Ss07)上,其中51%位于重排區域。

圖3 AP85-441甘蔗基因組circos圖

S.spontaneum的起源與遺傳多樣性分析
通過對64份甘蔗(Saccharum spontaneum)群體材料遺傳多樣性研究,發現其具有廣泛的自然部分范圍,遍及亞洲,印度次大陸,地中海和非洲,且自然種群具有廣泛的表型,遺傳和倍性水平多樣性(圖4)。研究發現,與高粱相比具有大規模染色體重排的S. spontaneum區域具有比非重排區域更高的遺傳多樣性,并且可能經歷了更強的平衡選擇。雖然幾條單獨的染色體沒有顯示出顯著差異,但是比較所有染色體上的平均值顯示重排區域中的核苷酸多樣性(0.00025±0.00003)遠高于非重排區域中的核苷酸多樣性(0.00021±0.00001),染色體重排區域的Tajima’s D(-0.659±0.052)遠遠高于非重排區(-0.720±0.011),重排區的SNP密度(360.27±48.41) 高于非重排區域(297.46±12.65, P=0.001798);此外,GO富集顯示,染色體非重排區主要富集到與基本生命周期,光合作用,呼吸作用和ATP合成的通路上。重排區主要富集在GO生物合成和代謝,跨膜轉運和離子結合通路上。

? ?S. spontaneum重排區具有高度的遺傳多樣性將更適應環境壓力,例如對各種非生物脅迫(干旱,鹽度,堿性,金屬離子等)的反應,這些受到次生細胞生物合成和代謝,跨膜轉運和離子結合的控制的基因在這些區域可以檢測到。在多倍化事件后,重排區域經歷了更強的平衡選擇。
圖4 64份甘蔗的群體結構與進化關系分析

本研究利用百邁客復雜基因組Hi-C建庫測序技術,并結合明瑞光課題組獨立研發ALLHiC算法成功組裝了高復雜同源多倍體甘蔗基因組AP85-441,高質量的甘蔗基因組的獲得,為后續研究其蔗糖含量,抗性等性狀及農業育種基礎奠定了基礎。

 

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