Genome Biology|高种和矮种椰子的高质量参考基因组为其染色体进化和关键表型差异研究提供了新见解

多组学分析助力果树研究的经典思路，值得借鉴！

      2021年11月4日，基因组学顶级期刊Genome Biology（中科院一区，IF=13.583）在线发表了题为High-quality reference genome sequences of two coconut cultivars provide insights into evolution of monocot chromosomes and differentiation of fiber content and plant height的研究论文，该研究通过构建高质量的高种椰子和矮种椰子基因组，阐述了单子叶植物祖先物种的核型信息及其进化历程，并通过联合基因组、重测序、转录组、代谢组、细胞学在内的多组学分析解析了高种和矮种椰子在纤维含量和株高方面差异的遗传基础，从而为椰子功能基因组学和分子育种研究提供了新见解。

      该文章采用的多组学研究思路对其它果树研究非常有借鉴意义，基于此，小编接下来对此文进行详细解读。

研究背景

      椰子（Cocos nucifera）隶属于单子叶植物中的棕榈科，是一种重要的热带水果，具有极高的食用、药用、营养和工业价值，被称为“生命之树”。已有化石记录表明，椰子最早起源于6600万年前，是一种古老的被子植物，这种进化地位使得椰子成为研究单子叶染色体进化和古代植物分化的理想物种。

      依据表型的差异，椰子可分为两种生态类型，即高种和矮种。高种椰子株高可达20-30m，环境适应性广，纤维含量高，但成熟缓慢；矮种开花早，但株高仅有10-15m，纤维含量也较少。基于此，解析椰子高种和矮种间的遗传差异对于其分子育种至关重要。

椰子高种和矮种植株的对比

研究思路

材料：高种椰子Cocos nuciferatall(Cn.tall)、矮种椰子Cocos nucifera dwarf(Cn.dwarf)

测序策略：Nanopore+Hi-C+Illumina

组学思路：基因组+重测序+转录组+代谢组

研究技术路线

研究结果

1.椰子基因组的组装注释及WGD分析

通过ONT结合Hi-C测序，研究者构建了染色体水平的高种和矮种椰子基因组，其中高椰子组装的基因组大小为2.4 Gb，Contig N50=2.9 Mb；矮椰子组装的基因组大小为2.39 Gb，Contig N50=14.3 Mb。随后，通过基因组与转录组数据比对、BUSCO评估等方法，研究者证实了椰子基因组的准确性。通过注释，研究者在高种椰子中得到29897个蛋白编码基因，重复序列占比81.1%；矮种椰子中注释得到28111个蛋白编码基因，重复序列占比83.4%。

为确定椰子的WGD事件，研究者首先将椰子与睡莲进行共线性分析，发现两者具有良好的共线性（以1:2为主）；接着通过Ks分析和系统进化树分析，研究者确定了包括椰子在内的所有单子叶植物共享一个τWGD事件（发生在129-146百万年前），而椰子和油棕还有一个最近的ωWGD事件（发生在47-53百万年前），且确定了高种椰子与矮种椰子大致在4百万年前产生分化，椰子与油棕在17-19百万年前产生分化。此外，与近缘种相比，椰子发生扩张收缩及特有的基因家族比例较低。

图1 椰子的基因组特征及其比较基因组学分析

2.单子叶植物的祖先核型与椰子核型的进化

      高质量的椰子基因组及其在单子叶植物进化中的关键地位使重建单子叶植物的祖先核型成为可能。研究者选取了7个具有高质量基因组的单子叶植物（包括紫萍、菠萝、石刁柏等）与椰子进行基因组共线性分析，随后基于端粒为中心的染色体重构理论，重建了包含10条染色体的单子叶植物祖先核型，与之前报道的单子叶植物具有5条或7条染色体核型相比，此次的10条染色体假说具有更强的证据支持。随后，基于祖先核型，研究者确定了椰子经历了5次染色体交换重组和两次染色体融合，最终形成了如今的16条染色体。

图2 单子叶植物的祖先核型与椰子核型的进化

3.高矮椰子基因组间的比较分析

      基于Mummer软件，研究者比较了高种和矮种椰子基因组间的差异，共鉴定到了22918475个SNP、12530050个InDel、共计297.98Mb的PAV、以及21个大于1Mb的SV。在这些变异中，SNP和InDel影响到2264个基因；PAV影响到2889个基因，且矮种缺失的基因主要富集在与油脂合成相关的通路中，这与矮种含油量低结果相一致，此外TE序列的激活和结构变化是高矮椰子基因组间形成PAV的最主要原因；鉴定到的SV可能与高矮椰子的农艺性状相关，例如12号染色体上的一个插入与株高相关，4号染色体上的一个缺失与纤维含量相关。此外，通过对高矮椰子的基因家族进行比较分析，研究者揭示了相关基因的扩增使得高矮椰子在耐盐性、纤维含量、株高、脂肪酸含量等方面存在差异。

图3 高矮椰子基因组间的比较分析

4.高矮椰子关键表型差异的遗传基础

      纤维含量和植株高度在高种和矮种椰子间存在显著差异，解析纤维含量和植株高度差异的遗传基础对于椰子的分子育种研究具有重要意义。

在解析纤维含量差异方面，研究者先通过基因组鉴定出高种椰子中与木质素合成相关基因（尤其是CCR和F5H基因）的数目显著高于矮种椰子，随后通过转录组分析确定了木质素合成相关基因、木质素代谢关键转录因子、纤维素合成酶（CESA基因）在高种椰子中的表达量都显著高于矮种椰子，最后通过细胞学分析确定了高种椰子叶表皮细胞可以被染色剂染的更深。综上，通过一系列基因组学、转录组学和细胞学分析，研究者解析了高矮椰子纤维含量差异的遗传基础。

图4 高矮椰子纤维含量差异的分子机制

在解析株高差异的遗传基础方面，研究者先通过对80份椰子材料进行GWAS分析，在12号染色体上定位到了一个候选SNP，该SNP位于GA20ox基因的启动子区域，这说明GA20ox基因可能与株高相关。随后，研究者通过RTPCR、转录组、与代谢组分析，证实了GA20ox基因在高、矮椰子群体中存在表达差异与代谢差异。总之，GA20ox基因的结构变异是决定高、矮种椰子植株高度差异的关键因素。这表明，椰子在约400万年前高矮亚种的分化过程中，产生了与玉米、水稻等作物半矮化育种过程相似的“绿色革命”。

图5 多组学揭示高种和矮种椰子间株高差异的分子机制

总结

      通过构建高质量的高种和矮种椰子基因组，研究者一方面研究了单子叶植物核型的进化，另一方面结合多组学解析了椰子关键表型差异的遗传基础，并证实了GA20ox基因的结构变异是决定高、矮种椰子植株高度差异的关键因素，从而为椰子的功能基因组和分子育种研究提供了新见解。

原文链接

https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-021-02522-9

小编点评

      此文在背景介绍方面先突出研究物种的“研究价值”（例如：椰子起源时间处于白垩纪末，这使得其成为研究单子叶进化理想物种），随后构建物种的参考基因组并进行比较基因组分析（可阐述物种进化地位、WGD事件等），同时与关键的单子叶物种基因组进行比较来回答第一个生物学故事（即单子叶植物核型进化），最后结合转录组、重测序、代谢组等多组学技术来系统阐述椰子关键表型形成的遗传基础。这种先通过明确物种的“研究价值”，同时结合深挖多组学数据，最后落脚到具体生物学故事的研究思路对于果树研究具有广泛的普适性，值得我们借鉴。