自三代測序技術(shù)面世以來，基因組的相關(guān)研究邁上了一個新臺階，無論是完整性、連續(xù)性、準確性較二代測序技術(shù)組裝基因組均有較大的提升。凌恩生物也緊隨前沿，整合多種優(yōu)勢技術(shù)及信息分析平臺，涵蓋Illumina，Pacbio等多種測序平臺，為廣大科研工作者提供國際領(lǐng)先的動植物基因組de novo測序方案?；蚪M經(jīng)過全方位的突破后，除了對單個高質(zhì)量基因組的研究，同時也可以進行泛基因組（Pan-genome）研究。

本期繼續(xù)為大家分享的高分文獻就是一篇發(fā)表在《Nature》上植物基因組結(jié)合泛基因組研究的文章，作者利用HiFi和Hi-C技術(shù)組裝了44個高質(zhì)量的二倍體馬鈴薯基因組，并進行了泛基因組的研究。這項研究將加速雜交馬鈴薯育種，豐富我們對馬鈴薯作為全球主要糧食作物的進化和生物學的認識。

發(fā)表期刊：Nature

發(fā)表時間：2022

影響因子：69.504

DOI:?10.1038/s41586-022-04822-x

一、研究背景

馬鈴薯是世界上最重要的非谷類糧食作物，絕大多數(shù)商業(yè)種植的馬鈴薯品種都是高度雜合子的四倍體?；谡娣N子的二倍體雜交育種的進展有可能徹底改變未來的馬鈴薯育種和生產(chǎn)。到目前為止，對野生馬鈴薯和栽培馬鈴薯基因組進化和多樣性的研究相對較少，這限制了馬鈴薯基因組多樣性在育種中的應用。

二、研究方法

三、主要結(jié)果

1、Petota類群的泛基因組

本研究獲得了24.5Gb的HiFi reads，并利用高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲（Hi-C）技術(shù)，將7個具有代表性的基因組組裝到染色體水平。組裝得到的基因組大小為835.1?Mb到1.71?Gb，利用馬爾可夫聚類算法將預測到的2,701,787個基因進行聚類，構(gòu)建了包含51,401個泛基因組簇的泛基因組。

2、Petota及其鄰近物種的系統(tǒng)發(fā)育

為了推斷Petota及其姐妹類群Lycopersicon和Etuberosum之間的進化關(guān)系，利用PacBio長序列對外群Solanum etuberosum和Solanum palustre進行了測序和de novo組裝，采用超矩陣法和多物種聚類法，推斷物種間的進化關(guān)系。通過構(gòu)建系統(tǒng)進化樹，在所有的1,899棵進化樹中，共有334棵（17.6%）樹支持Etuberosum為Petota的姐妹分支（圖2-a）。并利用D檢驗發(fā)現(xiàn)Petota和Etuberosum之間存在明顯的基因流（圖2-c）。

3、抗性基因庫的擴展

研究人員開發(fā)了一個NLR注釋的流程，并以一個基于抗性基因富集測序（RenSeq）的番茄NLR數(shù)據(jù)集對其進行了基準測試，結(jié)果得到了57,683個NLR基因。NLR拷貝數(shù)在馬鈴薯物種之間差異很大（圖3a）。在Etuberosum和番茄基因組中預測到了280-344個NLRs，并觀察到在馬鈴薯MTG（monoploid assembled contigs）組裝中顯著擴增（圖3b）。

4、塊莖同源基因

本研究共鑒定出149,663個馬鈴薯特異性CNSs（6.9 Mb），其中，54.4%的CNSs定位于內(nèi)含子，可能影響17,871個基因的表達。

為了確定參與塊莖發(fā)育的候選關(guān)鍵基因，本研究鑒定了732個主要表達在匍匐莖或塊莖中的基因，其中229個與馬鈴薯特異性CNSs相關(guān)（圖4a）。這些基因包含28個轉(zhuǎn)錄因子，其中只有1個屬于植物特異性TCP轉(zhuǎn)錄因子家族（Soltu.DM.06G025210），且轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，該基因主要在馬鈴薯匍匐莖中表達（圖4c）。

為了檢驗Soltu.DM.06G025210的功能，通過基于CRSPR-Cas9的基因組編輯在二倍體S. tuberosum?Group Phureja S15-65克隆中產(chǎn)生敲除突變體。在塊莖形成過程中，突變體的匍匐莖轉(zhuǎn)變?yōu)榉种?，而不是在頂端膨大形成薯塊（圖4d,e）。只有在適當?shù)纳L條件下和足夠的時間下，突變體才能產(chǎn)生少量的小塊莖。這一現(xiàn)象表明Soltu.DM.06G025210是馬鈴薯塊莖發(fā)育的關(guān)鍵基因，將此基因命名為Identity of Tuber 1（IT1）。作者進一步進行了酵母-雙雜交文庫篩選，確定了塊莖形成中維管移動信號分子SELF-PRUNING 6A（SP6A）與IT1有相互作用的關(guān)系。

5、泛基因組引導下的馬鈴薯雜交育種

作者共鑒定了561,433個高置信SVs（大小超過50 bp），其中55.5%是罕見的。根據(jù)20個本地種和4個S. candolleanum構(gòu)建包含224個大片段的倒位圖譜（圖5-a）。在3號染色體上發(fā)現(xiàn)一個大約5.8Mb的臂內(nèi)倒置（圖5-b）。在該倒置中，存在一個編碼β-胡蘿卜羥化酶的基因，該酶控制玉米黃質(zhì)的積累，使塊莖呈現(xiàn)黃色。該基因與倒置上的464個基因不可分割（圖5-c）。因此，選擇具有黃色塊莖肉的營養(yǎng)性狀個體，可能會導致意外表型的嚴重連鎖阻力。借助構(gòu)建的泛基因組倒置圖譜，育種者現(xiàn)在可以選擇合適的供體或受體株系進行回交。

總結(jié)

綜上所述，本研究鑒定的44個高質(zhì)量基因組和普遍的遺傳變異為馬鈴薯全基因組育種提供了有用的資源。這些資源還有助于進一步構(gòu)建整合44個不同馬鈴薯種質(zhì)的基因組和變異的泛基因組參考。此外，IT1的發(fā)現(xiàn)及其相互作用因子SP6A的相互作用，將進一步為闡明塊莖發(fā)育的進化過程奠定基礎(chǔ)。

在PacBio平臺規(guī)模化后，隨著HiFi測序成本的降低，使每個項目均能進行泛基因組的構(gòu)建。凌恩生物緊跟技術(shù)發(fā)展的步伐，致力于三代動植物基因組相關(guān)研究，相信在泛基因組研究熱點的時代，也能為您提供專業(yè)的測序及技術(shù)支持服務，心動不如行動，測序找凌恩，組學科研好伙伴！

參考文獻：

Genome evolution and diversity of wild and cultivated potatoes. Nature, 2022.DOI:?10.1038/s41586-022-04822-x

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