12月6日,，《DNA研究（DNA Research）》在線發(fā)表了基因組所樊偉團隊研究成果,，題為"Chromosome-scale Amaranthus tricolor genome provides insights into the evolution of the genus Amaranthus and the mechanism of betalain biosynthesis",。本研究首次組裝了莧菜染色體級別參考基因組,，解析了莧菜在莧屬植物中的演化地位,，并探究了莧菜中主要色素莧菜素的生物合成機制,。研究成果將推動莧菜的分子育種改良,，并有助于提高莧菜素的生物合成效率,。

莧菜又名汗菜,、青香莧等,，是包括中國在內(nèi)的東亞人民喜愛的一種葉菜，富含賴氨酸,、礦物質(zhì)和微量元素等營養(yǎng)成分,。莧菜屬于石竹目莧科莧屬Albersia亞屬,，有多個栽培種，除在東亞地區(qū)作為蔬菜外,，在歐洲莧菜也被當作園藝觀賞植物,。我國古代著名藥典《本草綱目》和《神農(nóng)本草經(jīng)》等都對莧菜的益處有所描述，“六月莧,，當雞蛋,，七月莧，金不換”則是對莧菜絕佳的贊美,，近代著名作家周作人曾專為莧菜寫過《莧菜?！芬晃摹?/span>

現(xiàn)有的莧屬植物可以根據(jù)用途分為谷物莧,、蔬菜莧和雜草莧三大類,，千穗谷和老鴉谷是谷物莧的代表，莧菜是蔬菜莧的重要代表,，糙果莧和長芒莧是雜草莧的代表,。本研究發(fā)布的莧菜基因組是蔬菜莧的首個基因組，填補了蔬菜莧缺乏基因組水平研究的空白,，豐富了莧屬植物的歷史演化研究,。

圖1｜莧菜及其基因組概貌

本研究通過整合PacBio HiFi、Oxford Nanopore ultra-long和Hi-C測序技術,，成功組裝出了莧菜染色體級別的參考基因組,。組裝得到的基因組大小為520 Mb，Contig N50為906 Kb,，其中99.58%的序列被定位在17條染色體上,，注釋得到了27,813個蛋白編碼基因。

圖2｜莧菜全基因組復制事件推斷

通過宏觀共線性分析和分子鐘推斷,，本研究推測莧菜基因組大約在2700萬年前發(fā)生過一次全基因組復制事件,，該復制事件發(fā)生在莧亞科的最近共同祖先時期。

紅莧菜中含有大量的莧菜素,，已經(jīng)被食品工業(yè)用作天然食品添加劑（國標：GB 1886.110—2015）,。由于人工合成色素具有誘發(fā)癌癥等健康風險，而天然色素價格較高,，因此提高莧菜素的生物合成效率具有重要意義,。莧菜具有多個栽培種，其中紅色栽培種富含莧菜素,，而綠色栽培種莧菜素含量很低,。本研究除了組裝出紅色莧菜的染色體級別參考基因組，也組裝了綠色莧菜的高質(zhì)量Contig水平基因組，揭示了兩栽培種之間的基因組結(jié)構(gòu)變異,，同時也比較了不同顏色葉片的基因轉(zhuǎn)錄水平差異,。基因表達差異分析表明DODAα1在紅色葉片中高表達,，而在綠色葉片中表達很低,，而且是紅綠葉片基因表達差異最顯著的基因，因此該基因或許在莧菜素合成途徑中發(fā)揮關鍵作用,。進一步研究發(fā)現(xiàn)莧菜素合成通路關鍵基因DODAα1和CYP76ADα1在莧菜基因組的16號染色體的同一個拓撲相關結(jié)構(gòu)域（TAD）中,，這可能與其能夠高效地合成莧菜素有關。

本研究首次組裝了莧菜染色體級別參考基因組,，解析了莧菜在莧屬植物中的演化地位,，并為莧菜中莧菜素生物合成機制提供了新見解。此外,，莧菜中還富含角鯊烯和抗菌肽,，其中角鯊烯傳統(tǒng)上來源于鯊魚和鯨等海洋動物，具有降低膽固醇等有益健康的功效,，同時是電腦硬盤的潤滑劑和化妝品的重要成分,；而抗菌肽是具有抗菌活性的堿性多肽物質(zhì)，通常由數(shù)十個氨基酸殘基組成,，對細菌有很強的殺傷作用，具有重要的醫(yī)療價值,?；蚪M數(shù)據(jù)為相關生物學研究奠定了基礎，也為莧菜的育種改良和抗逆耐旱等研究提供了重要的資源,。

基因組所博士生王恒超,、碩士生許棟為文章的共同第一作者，樊偉研究員為文章通訊作者,，該研究得到了中國農(nóng)業(yè)科學院青年英才計劃,、中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程和深圳市重點實驗室基金 （ZDSYS20141118170111640）的支持。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1093/dnares/dsac050