2024年5月10日，《植物通訊（Plant Communications）》在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）樊偉團隊題為“The genomes of seven economic Caesalpinioideae trees provide insights into polyploidization history and secondary metabolite biosynthesis”的研究論文。該研究成功解碼了云實亞科七種經(jīng)濟物種的高質(zhì)量基因組及其演化歷史。

云實亞科是豆科的第二亞科，僅次于蝶形花亞科。云實亞科匯聚了眾多知名樹木，這些樹木不僅在經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中占據(jù)重要地位，對于維護人類健康也起到了不可忽視的作用。皂莢的果實（皂角）是一種天然清潔材料的重要來源，如今已廣泛應用于洗發(fā)水和化妝品行業(yè)，并且皂莢的種子（皂角米）因富含皂苷營養(yǎng)成分而成為當下流行的保健食品。蘇木的干燥心材則是一種天然染料，其色澤鮮艷且持久，不僅可以為食品和飲料增添誘人的色彩，還能為衣物帶來獨特的韻味。合歡、鳳凰木和臺灣相思樹，這些樹木以其獨特的美麗葉子和絢爛花朵而著稱，成為花園和路邊的亮麗風景。銀合歡生長迅速，其木材不僅可用作造紙工業(yè)的原料，還可作為飼料植物，為畜牧業(yè)提供了豐富的飼料資源。光莢含羞草，最初引入國內(nèi)種植主要是作為薪柴資源，后來則逃逸并演變?yōu)橐环N造成嚴重環(huán)境損害的入侵植物，需要加以防范和控制。

研究團隊利用PacBio CCS（HiFi）三代測序、Hi-C染色質(zhì)構(gòu)象捕獲測序技術和自主開發(fā)的scaffolding工具EndHiC構(gòu)建了皂莢（921 Mb）、蘇木（872 Mb）、合歡（705 Mb）、鳳凰木（580 Mb）、臺灣相思樹（566 Mb），銀合歡（1,338 Mb）和光莢含羞草（641 Mb）的高質(zhì)量參考基因組。其中，大部分物種為二倍體，參考基因組包含約4萬個蛋白質(zhì)編碼基因；而銀合歡為八倍體，其參考基因組包含高達10萬個蛋白質(zhì)編碼基因。

圖1 | 染色體共線性

云實亞科物種的基本染色體數(shù)目有13和14兩種類型，通過這七個物種的染色體共線性比較，揭示了該差異是由一條不穩(wěn)定染色體的融合和斷裂造成的。在云實亞科物種共有的古代全基因組復制（CWGD，~72.0 MYA）之后，本研究在銀合歡中發(fā)現(xiàn)了兩個最近連續(xù)的全基因組復制事件LWGD-1（16.2-19.5 MYA）和LWGD-2（7.1-9.5 MYA），從而解釋了銀合歡的八倍體的成因。并且，通過基因組大小和基因數(shù)目的比較，推測出銀合歡在隨后的二倍化過程中發(fā)生了約40%的基因丟失和基因組大小收縮。

圖2 | 全基因組復制事件的分化時間

云實亞科植物可以產(chǎn)生許多有重要經(jīng)濟價值的次生代謝物，例如含羞草堿和三萜皂苷。本研究鑒定了這些物種中參與含羞草堿代謝的所有基因拷貝，并揭示了銀合歡中豐富的含羞草生物合成基因在很大程度上解釋了其含羞草堿高產(chǎn)量。另外，在皂莢中鑒定了參與三萜皂苷生物合成的125個潛在基因，為后續(xù)三萜皂苷的生物合成研究打下理論基礎。

綜上，本研究構(gòu)建了云實亞科中七種有重要經(jīng)濟價值的物種的染色體級別參考基因組，解析了云實亞科染色體基數(shù)差異原因，發(fā)現(xiàn)了銀合歡的兩次特有的近期全基因組復制事件，鑒定了含羞草堿和三萜皂苷次生代謝物基因拷貝。該研究為云實亞科物種的進化研究、植物醫(yī)學成分的生物合成研究提供了寶貴的資源。

基因組所與青島農(nóng)業(yè)大學聯(lián)培碩士研究生陳容、基因組所博士研究生孟思含為文章的共同第一作者，基因組所樊偉研究員為論文的通訊作者。該研究得到深圳市基礎研究項目、深圳市重點實驗室基金和農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新計劃的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2024.100944