枸杞基因组研究
宁夏农林科学院枸杞科学研究所联合福建农林大学等12家研究机构协同攻关,完成了枸杞全基因组测序工作。研究成果Wolfberry genomes and the evolution of Lycium(Solanaceae),于2021年6月3日在Nature子刊Communications Biology上发表,首次将“枸杞”以汉字形式印在了原文中。
1.成功创制出枸杞单倍体
建立枸杞花药直接诱导胚状体的再生体系。以红果枸杞宁杞1号和黑果枸杞新优系H5的花药为试验材料,采用胚状体诱导途径,研究了添加外源激素、活性炭、低温预处理、热激处理、暗处理等因素对花药胚状体诱导的影响,构建了一套与枸杞花药离体培养相适应的再生植株体系,单倍体植株能够实现超过2%的诱导率。通过DNA倍性鉴定,染色体数目n=12;通过基因组Survey分析,获得4个单倍体植株,H5-1006-1A、H-3003-1A、H5-1032-1A和H10-2097-1A的杂合率分别是0.09%、0.07%、0.09%、0.07%,比宁杞1号杂合度(1%)降低约10.1倍,为全基因组测序和高质量组装提供了最佳材料。
2.组装了高质量的枸杞基因组
完成枸杞基因组测序和高质量组装,建立了枸杞基因组数据库,首次明确了枸杞基因数量和全基因组序列特征。基于二、三代与Hi-C测序技术对枸杞展开全基因组测序,基因组控制在1.67Gb大小;组装质量Contigs N50长度10.75Mb,基因组完整度97.75%;绘制了枸杞12条染色体的基因组物理图谱,染色体大小106—173Mb;注释基因33581个,基因注释完整度达到93.16%;注释非编码miRNAs 151个、tRNAs 1255个、rRNAs 2361个和snRNAs1243个;全基因组序列中,总长度的84.22%是重复序列。
3.系统解析了枸杞属植物进化/演化规律
明确了枸杞的两次全基因组复制进化事件,初步揭示了枸杞的起源与古演化路径。用单拷贝基因建立了枸杞物种的系统发育树和分化分子钟,发现枸杞曾在130百万年前与双子叶植物一起发生过1次全基因组复制事件,在69百万年前与茄科植物一起发生过1次全基因组复制的进化事件,而枸杞与茄科物种在82.8百万年前发生了分化;测定了亚洲、美洲、中东等世界分布的13个枸杞种的基因组序列,采用成对序列马尔可夫共祖分析(PSMC),结合样本的世界地理分布信息,推测出了亚洲枸杞起源于非洲,再逐渐向中东和亚洲扩散的古演化路径。
4.揭示了枸杞自交不亲和分子机制
基于枸杞全基因组数据库,生物信息学分析发现,枸杞存在自交不亲和的关键基因。该基因调控着枸杞配子体自交不亲和途径并维持二倍体枸杞的高杂合率。基于此,研究人员克隆了该关键基因S-RNase,解析了自交亲和、自交不亲和机理,为枸杞新品种选育亲本的选择提供了重要理论依据;找到了自交亲和关键基因S-BARB8,开发精准鉴定标记,实现了杂交子代苗期筛选。
5.提出了枸杞多糖生物合成模型
以蔗糖为供体,在20个基因家族(43个基因)调控酶促作用下,在细胞质中蔗糖转化成不同的核苷酸单糖,再经过高尔基体中12个基因家族(44个基因)调控及糖基转移酶作用,从活性核苷酸糖将单糖残基转移到延伸多糖链上再缩合为多聚糖,构建了蔗糖→核苷酸单糖→枸杞多糖的生物合成假设模型。其中5个糖基转移酶基因家族参与枸杞多糖3种结构的糖链形成过程。(https://www.daowen.com)
6.解析了花青素合成调控机制
通过多组学联合分析,发现转录因子LrANIb在黑果枸杞果实中高表达,LrAN2-like、WD40形成MBW转录复合体,激活花青素合成结构基因表达,从而促进花青素的合成。而突变体白果枸杞LrANIb转录因子启动子区域存在229bp缺失突变,导致其在果实中不表达,未形成转录复合体,花青素合成受阻,果实为白色。
7.建成了枸杞代谢物数据库
采用广泛靶向代谢组检测技术,注释出枸杞属植物中1032种代谢物,主要为类黄酮、生物碱、脂肪酸、多胺等13类代谢物,建成了种类与数目最多的枸杞代谢物数据库。宁夏枸杞中有88种代谢物显著高于其他种质,从中筛选出可作为产区识别的13种标志性代谢物。
8.首次挖掘出枸杞黄酮代谢调控的关键基因簇
采用基因组、代谢组、转录组和分子生物学技术,挖掘出枸杞5号染色体上紧密串联的基因簇,该基因簇主要参与枸杞黄酮代谢调控。该成果为枸杞分子标记辅助育种奠定了基础。
9.解析了枸杞对生态因子的响应分子机理
基于基因组研究,系统开展了青海诺木洪农场、新疆精河县、宁夏中宁县3个典型生态区的气候特征、枸杞果实形态、代谢物变化和基因表达等研究,阐明了不同生态区枸杞代谢物的累积规律,发现枸杞果实中有13种代谢物(溶血磷脂酰胆碱16∶2,黄柏素F,咖啡酰原儿茶酸,芥子酸吡喃葡萄糖苷,麦黄酮-O-葡萄糖二酸,麦黄酮7-O-己糖苷,2-异丙基苹果酸,2′-脱氧肌苷-5′-磷酸,迷迭香酸,3,4-二甲氧基苯乙酸,柚皮素,L-哌啶酸,圣草酚)对生态因子响应明显,可作为产区识别的主要代谢物产物,为今后枸杞良种区域布局提供理论依据。
10.构建了枸杞DNA指纹图谱及品种鉴定标准
基于基因组序列数据库,采用MISA程序开发了630974个SSR位点,建立了枸杞品种指纹图谱,制定了枸杞品种鉴定标准,可快速、批量用于枸杞种苗纯度的鉴定。