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科研進展

昆明植物所成功解析九倍體木本竹的基因組

文章來源:種質庫  |  發(fā)布時間:2024-09-09  |  作者:王玉嬌,李德銖,馬朋飛  |  瀏覽次數(shù):  |  【打印】 【關閉

 

竹子即竹亞科(Bambusoideae)是禾本科的一個重要分支,廣泛分布于亞洲、非洲和拉丁美洲,約有1,700種。作為一類生長快、多年生的、可再生的森林資源,木本竹子越來越多地被用作木材的替代品,具有重要的經濟價值和生態(tài)價值。前期研究表明,木本竹子均為異源多倍體,具有長時間營養(yǎng)生長,一次性開花(可達到120年)等獨特的生物學習性。

多倍體是植物尤其是竹子進化的主要驅動力之一。竹子包含二倍體的草本竹子(2n=2x=20-24)、四倍體木本竹子(2n=4x=46-48)和六倍體木本竹子(2n=6x=70-72)。然而,已有的核型研究表明,少數(shù)的古熱帶木本竹子如烏腳綠(Bambusa odashimaesyn. B. edulis (Odashima) Keng f.)),擁有高達104條染色體。這些物種還表現(xiàn)出非整倍性,例如,烏腳綠有9698、102、104條染色體。這些竹種的倍性水平尚不清楚,并對非整倍性缺乏合理的解釋。

多倍體植物具有顯著的優(yōu)勢,包括抗逆性、活力增強等。臺灣“中央研究院”林崇熙團隊發(fā)現(xiàn)烏腳綠在培養(yǎng)基中具有很好的活力并且能夠在離體培養(yǎng)條件下實現(xiàn)誘導開花和復壯。在試管中,研究人員利用細胞分裂素促進開花,生長素促進開花后恢復營養(yǎng)生長,為探究激素調控木本竹開花提供了一個良好的實驗體系。

中國科學院昆明植物研究所李德銖團隊,利用二代測序、三代測序(ONT)和染色質構象捕捉(Hi-C)技術,組裝獲得了烏腳綠高解析度的單倍型參考基因組,基因組大小為3.36G,contig N5014.81M,雜合度為7.3%,掛載得到104條染色體,并且141,732個編碼基因獲得注釋。通過與禾本科BOP分支的水稻、巨龍竹、麻竹基因組共線性分析,確認烏腳綠為九倍體,其親本是六倍體竹子,分別為牡竹屬(Dendrocalamus)和簕竹屬(Bambusa)。其中簕竹屬親本提供2套單倍型基因組的遺傳信息,而牡竹屬親本提供了一套單倍型基因組信息。據此推斷,烏腳綠為屬間與種間雜交起源,具備3套單倍型基因組,并且每套單倍型基因組包含3個亞基因組(AB、C亞基因組)的高復雜度的九倍體竹子。同時,研究發(fā)現(xiàn)由于單倍型III1條染色體的丟失,導致其體細胞的非整倍性。研究團隊探究了烏腳綠不同亞基因組的表達模式,發(fā)現(xiàn)與AB亞基因組相比,C亞基因組的基因數(shù)量最少,但是其表達基因比例以及平均表達水平最高,這與研究團隊最近在其它六倍體竹子中的研究結論一致。此外,在不同的單倍型基因組中,同源基因的表達偏好并不完全相同。由于缺乏單倍型基因組,等位基因特異性表達(ASE)在竹子中的作用長期以來被忽視。通過ASE的分析發(fā)現(xiàn),屬間雜交比種間雜交可檢測到更多的ASE基因。開花誘導期間ASE基因的平均數(shù)量(33.90%)高于誘導復壯時期(28.77%),這表明誘導開花過程中有更多的等位基因差異性表達。該研究結果建立了雜交與竹子開花誘導之間的潛在聯(lián)系,提示了等位基因差異表達對于竹子誘導開花可能產生的影響。

另外,研究人員對誘導開花與復壯體系的11個不同發(fā)育階段進行了轉錄組測序,發(fā)現(xiàn)細胞分裂素可能通過抑制開花關鍵基因CONSTANSCOCONSTANS-like (COLs)基因表達來促進開花,而生長素通過促進COCOLs的高水平表達恢復營養(yǎng)生長。這些發(fā)現(xiàn)有利于解析激素誘導竹子開花和復壯的分子調控機制。烏腳綠的組培誘導開花體系以及高質量的參考基因組,為木本竹子異源多倍體化、屬間和種間雜交以及開花機制研究奠定了良好基礎。

研究結果以Haplotype-resolved nonaploid genome provides insights into in vitro flowering in bamboos為題,近日發(fā)表在園藝學頂級期刊Horticulture Research上。中國西南野生生物種質資源庫博士后王玉嬌為論文第一作者,馬朋飛研究員、郭振華研究員和李德銖研究員為論文通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目(31670227、32120103003)云南省青年人才項目(202105AC160022)等多個項目的支持。

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1?烏腳綠的單倍型基因組和系統(tǒng)發(fā)育樹


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