睡莲基因组揭示远古维管形成层丢失的可变基因组特征

                   期刊：PNAS     IF=9.580

研究背景

       大多数种子植物的茎中，维管束内部及之间的分生组织细胞群的激活形成了一个连续的维管形成层，然后产生次生木质部和韧皮部环，以增加茎或根围 (图1)。被子植物(睡莲科、金鱼藻属、单子叶植物、莲属和鬼臼科)中，只记录有5种维管形成层的损失，它们经历了1.4亿年的演变及各种生长习性和形态适应(图1)。

图1开花植物的维管形成层演化

A:种子植物主要支系的简写系统发育关系  B生长习性 

 C卢旺达睡莲单株，红线表示原位土壤水平  D根茎的特写

材料与方法

全基因组样本：卢旺达睡莲活标本

转录组样本：多个卢旺达睡莲个体的各种组织(叶、根、花芽和胚珠)

测序平台：Illumina HiSeq 2500

文库类型：全基因组文库、转录组文库

结果分析

结构特征

       通过对卢旺达睡莲（N. thermarum）地下茎的解剖研究，发现未有维管形成层或次生维管组织(图1D)，且N. thermarum维管束内不含纤维，这与其他无形成层谱系不同(图1E)。因此可得，N. thermarum所有的维管组织都是来源于顶端分生组织的初生组织。

图1  开花植物的维管形成层解剖

基因组、转录组的组装和注释

       为创建卢旺达睡莲的基因组资源，结合从小片段文库(40×)和大片段文库(20×)生成的数据来创建基因组装配草图。组装基因组大小的总长度为368,014,730 bp，小片段reads的k-mer分析估计基因组大小为497,339,103 bp。从睡莲标本的叶、根和生殖材料中生成和组装转录组，结合已知植物蛋白质数据注释了25,760个与输入转录物等重叠的蛋白质编码基因；相比之下，Amboralla 的基因组注释有26,846个蛋白质编码基因。组装的卢旺达睡莲中包含956种保守植物蛋白中的865种(90%)，表明其基因区域几乎都得到表达。

图s2 睡莲草图基因组的注释

系统发育年代测定、基因家族扩展/收缩的估计和GO富集分析

       为了检测无形成层谱系中基因家族的显著收缩，首先通过估计1,439个通过严格筛选标准的簇的基因树来估计物种树。再进一步使用CAFE 在fossil-calibrated物种树(ASTRAL-II)和基因簇大小集合(图2A)中检测系统发育所有分支的显著同源簇收缩和扩张。在分析的总共8147个同源簇中，发现28个簇显著扩张，30个簇显著收缩。而在无形成层谱系中无收缩(图2B)。在卢旺达睡莲中扩展的簇在与次生代谢(包括碳水化合物和多糖代谢)、生物合成和对刺激的反应相关的GO分析中显著富集。睡莲中的收缩簇在核小体组装、脂肪酸生物合成过程、对生长素刺激的反应和分生组织起始方面显著富集(图2B)。

HD-ZIP III基因家族的进化

       与分生组织起始基因相关的收缩簇包括第三类HD-ZIP基因，一个已知调节初级和次级维管组织分化的基因家族。HD-ZIPIII基因家族显著收缩的所有谱系都表现出正常维管形成层发育的丢失，但HD-ZIPIII基因的完全缺失并不总是与维管形成层的丢失相关。这一结果证明了与独立的同质进化事件相关的基因丢失模式的可变性。

       除了证实HD-ZIP III基因在维管发育中的重要性外，在无形成层谱系中收缩的直系同源簇也可用于鉴定维管形成层调节的候选基因。卢旺达睡莲中收缩的簇的集合包括编码生长素响应SAUR蛋白和BES1相互作用蛋白BIM家族的基因。在缺乏维管形成层的物种中，结合BIM和SAUR基因家族的收缩，这表明BIM和SAUR基因可能构成维管形成层调节的新成分。但还有待实验检验。

图s1开花植物次生维管组织发育

图s6  HD-ZIP III基因家族系统发育

CLE肽的进化

       直系同源簇扩展和收缩的分析并不包括所有所关注的基因家族。已知短信号肽(~21个氨基酸)的CLE家族调节开花植物的初级和次级组织分化，但是该基因家族成员之间的低序列保守性阻碍了许多类型的分析，因此研究了多个物种并将其分组，发现CLE序列与无形成层分类群的差异发生在第2组(与维管分化和模式有关，图3A)，但不发生在与初生根和芽发育相关的其他CLE组。第2组无维管形成层-有维管形成层（NVC-VC）比较相似性较低很大程度上是由单子叶植物序列的差异产生的(图3C)。在单子叶植物中，第1组CLE肽与次级衍生的维管形成层有关，第2组无关。这恰好验证了分析结果，即在一些无形成层的分类群中观察到的第2组CLE肽的差异可能使它们在维管形成层发育和活动过程中不起作用。

图3维管发育相关的CLE肽的进化

讨论

       本研究对睡莲的基因组草图进行了测序和组装，并将其与保留或缺失维管形成层的其他植物的基因组进行了比较。通过使用全基因组和候选基因分析，发现了与形成层缺失相关的基因缺失和分化的谱系特异性模式。研究结果揭示了在一个以复杂的基因-性状关系为特征的系统中，趋同性状缺失的不同基因组特征。

亮点

       本文探究解决了维管形成层在植物进化过程中的重大遗传机制，利用全基因组和转录组测序对睡莲基因组草图进行组装、注释；分析分子层面的物种系统发育关系，着重于基因家族研究，阐述维管形成层的缺失所表征下，基因家族的变化及特征分析，从而鉴定BIM和SAUR是维管形成层控制的关键因子，可见基因家族研究的重要性，我司是国内最早开展基因家族整理研究的生物公司之一、目前基因家族类项目完成上百个，在线文章几十篇，涵盖多种模式和非模式生物，团队经验丰富、欢迎来电垂询，八折促销火热进行中！！！时间截至十月底！电话：025-85381280