藜麦基因组de novo测序
发布日期：2019-03-19 浏览次数：3027
摘要
藜麦是一种高营养的谷类作物，对全球的粮食安全具有重要的意义。不幸的是很少有资源可以用来进行遗传改良。本文利用三代单分子测序技术结合光学图谱、遗传图谱及Hi-C构建了藜麦染色体水平的高质量基因组。本文同样报道了藜麦的两个二倍体祖先的基因组序列，目的是为了识别藜麦的亚基因组及其他22个低深度测序的异源四倍体藜属植物。藜麦基因组的序列有利于对例如种子中控制皂苷合成的转录因子的识别，以及在甜藜麦中能引发可变剪接和提前终止密码子突变位点的识别。这些基因组资源对藜麦的遗传改良是很重要的一步。
材料方法
藜麦de novo测序品种：PI 614886；DNA提取：单株的叶和花；
测序平台：PacBio RS II，文库20kb，100 SMRT cells；
DNA提取：单株的叶片；Illumina HiSeq 2000，文库500bp；
基因组组装：Velvet (v1.2.10)；
藜麦两个2倍体祖先基因组：C. pallidicaule (PI 478407)，C. suecicum (BYU 1480)，Illumina HiSeq PE100bp，文库180bp，mate pair：3kb+6kb；基因组组装：ALLPATHS-LG assembler，Gap填充：GapCloser v1.12；
基因预测：AUGUSTUS；
藜麦重测序：Illumina HiSeq 2000 PE125bp/PE100bp，基因组组装：BWA，SNP识别：SAMtools；
直系和旁系同源基因识别：OrthoMCL；
综合遗传图谱构建：Kurmi× 0654（45个F3），Atlas× Carina（94个F2），之前已发表的藜麦遗传图（Single nucleotide polymorphism identifcation,characterization, and linkage mapping in quinoa），JoinMap v4.1；
系统发育树：PHYLIP；
研究结果
1、藜麦的测序组装和注释分析
四倍体藜麦及其两个2倍体祖先的基因组de novo测序组装
四倍体藜麦及其两个2倍体祖先的重复序列的识别
基因结构的预测（AUGUSTUS+RNA-seq）
四倍体藜麦基因密度及GC含量的分布情况
整合的藜麦遗传图谱（6403个标记，总图距2034cM）
2、藜麦的进化历史
b,三个物种不同同义突变率下对应基因的比例；（四倍体峰的出现：原因可能是2倍体祖先杂交造成）；c,藜属作物的最大似然树（黑色：二倍体，红色：藜麦，蓝色：C. berlandieri，黄色：C. hircinum）d,藜麦是由欧洲的C. berlandieri在西非的高原和沿海两个环境下驯化而来；
3、藜麦亚基因组的结构和内容分析
a,藜麦A/B亚组和四倍体基因组间的共线性分析；b，藜麦A/B亚组的同源基因对（5807个基因）；c，藜麦4个连锁群的共线性分析（染色体结构变异、重组事件等）；d，甜菜和藜麦两个亚基因组间的共线性关系。
a,藜麦、两个2倍体祖先、甜菜间同源基因韦恩图；b，每个基因组中都存在的单拷贝同源基因数目为5807个（上中），藜麦A亚组中丢失了1031个，B亚组中丢失了849个；c，藜麦和甜菜开花基因的最大似然树。
4、皂素的合成机制
a/b,皂素与藜麦开花后的20-24天开始大量积累，且主要存在于种皮中；c,甜味等位基因频率图（连锁图和BSA在两个群体中的定位结果一致，CqB16）；d，皂素的生物合成途径；e, TSARL1在甜和苦的植株中基因类型。
对定位到的甜味基因区间进行基因注释，共获得2个与皂素合成相关的基因（蒺藜苜蓿中报道）AUR62017204/AUR62017206（bHLH motif），蓝色实线：同源螺旋结构域，蓝色虚线：同源茎环结构域，红线：C端结构域，黑色和绿色方框分别代表：DNA结合位点/CG二核苷酸中心环。
AUR62017204（TSARL1）的蛋白结构图
研究表明：AUR62017206（TSARL2）只在根部检测到表达，在花或未成熟种子中位检测到表达，而AUR62017204（TSARL1）几乎都只在种子中表达，且在甜种子中表达量很低；对其他定位的52个基因及皂素代谢通路的基因进行定量分析发现，均表现为下调。因此，最终推断AUR62017204（TSARL1）是皂素合成基因的候选基因。
研究亮点
1、针对重要的粮食作物藜麦及其2倍体祖先进行了de novo测序并结合了遗传图和光学图谱对基因组进行组装，分析了四倍体藜麦与二倍体祖先间基因组的共线性关系以及藜麦的进化历史。
2、对藜麦味道相关的皂素合成的候选基因的定位及皂素合成机制的研究。
参考文献
The genome of Chenopodium quinoa[J].Natrue.2017.IF=38.138
