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2020年10月8日,福建農林大學基因組與生物技術中心聯合中國科學院西雙版納熱帶植物園等多個單位共同合作的榕-蜂協同進化研究成果以“Genomes of the banyan tree and pollinator wasp provide insights into fig-wasp coevolution”為題在國際頂級期刊Cell上在線發表。文中利用北京百邁客生物科技有限公司的Hi-C建庫測序技術,并結合明瑞光課題組獨立研發的ALLHiC算法成功的將小葉榕和對葉榕組裝至染色體水平,并對榕樹氣生根、性別決定基因、榕樹進化以及榕蜂共生體系專性協同進化等進行研究。該研究為明瑞光教授團隊繼18、19年連續兩年論文刊登著名期刊Nature Genetics[1-2]后的又一次突破性成果!

 

榕樹是熱帶和亞熱帶植物,他們的氣生根沿著寄主樹木的樹干下降到土壤中,使許多榕樹物種能夠像半附生植物一樣生活。細葉榕(Ficus microcarpa)、對葉榕(Ficus hispida)分別代表了兩種不同的生長形式:雌性同株/半附生和雌雄異株/非附生。不同的榕樹與其傳粉蜂形成了專性互利共生關系。高質量基因組為研究氣生根基因、雌性同株和雌雄異株以及共生系統中的共分化提供了深入的見解和基因組資源。

 

 

作者首先完成細葉榕、對葉榕及細葉榕傳粉小蜂基因組組裝注釋

(1)細葉榕使用~84X PacBio RSⅡ(36.87?Gb)完成426Mb 基因組組裝(預估436 Mb,97.7%),contigN50=908 Kb, BUSCO評估為95.6%;并通過ALLHiC將423 Mb基因組掛載至13條染色體上。注釋29,416個蛋白編碼基因(BUSCO評估為94.4%)
(2)葉榕使用~97X PacBio RSⅡ(36.12 Gb),最終組裝360 Mb基因組(預估370Mb 97.3%),contigN50= 492 kb,BUSCO評估為97.4%;并通過ALLHiC將 359 Mb基因組掛載至14條染色體上,與高密度遺傳圖譜具有高度一致性。注釋27,211個蛋白編碼基因(BUSCO評估為95.7%)
(3)K-mer評估顯示榕小蜂Eupristina verticillata)具有較高雜合(1.1%),使用~170X PacBio(65 Gb)進行基因組組裝,通過去冗余后最終組裝387 Mb 基因組(預估 382 Mb), contig N50=3.1 Mb,BUSCO評估為97.7%。經過從頭預測、同源預測及轉錄組預測,最終注釋14,312個蛋白編碼基因(表1)。

將細葉榕的傳粉小蜂E. verticillata與對葉榕的傳粉小蜂Ceratosolen solmsi基因組比對發現兩者的分化時間~41.5 Mya,與細葉榕和對葉榕的預估分化時間非常相近(~40 Mya)。

 

表1 細葉榕、對葉榕及榕小蜂基因組組裝及評估結果

 

兩種榕樹基因組比較發現有大量結構變異,細葉榕的3號染色體FmChr03,與對葉榕3號及7號染色體(FhChr03、FhChr07)發生融合或裂變事件,重排區內的基因富集顯示主要與植物免疫功能有關。兩種榕樹在真雙子葉植物的三倍體事件之后,均沒有檢測到全基因組復制(WGD)事件。全基因組比對分析表明,兩個榕樹基因組共有約38Mb 片段重復(SDs),表明SD是基因組規模擴大的主要因素。

 

圖1 對葉榕與細葉榕基因組特征圈圖

 

細葉榕與對葉榕顯著差異表現為前者有氣生根而后者沒有,為了尋找觸發氣生根的途徑,作者在氣生根尖鑒定到811個高表達基因。這些高表達的基因在一系列與運輸相關的生物過程中顯著富集。通過對PIN家族的系統發育分析,發現PIN1基因存在顯著的拷貝數變異(CNV),并確定了兩個進化的PIN1亞群。第一組(PIN1a)在兩種榕樹和擬南芥中均被鑒定到,第二組(PIN1b)僅于兩種榕樹中。RNA-seq表明,FmPIN1a在大多數被測組織中均有表達,而FmPIN1b1、FmPIN1b2FmPIN1b3在氣生根樣品中高表達。光受體CRY2和PHR2的拷貝數增加,TAR(如TAT2a、TAT2b和TAT7b)和YUC編碼基因(如YUC6)的表達增加進一步加速了IAA的積累,與對葉榕相比,細葉榕氣生根尖的內源生長素濃度高出5倍。說明生長素的增加引發了氣生根的發育,光促進的生長素依賴途徑與氣生根的發生、生長和形態形成有關。

 

圖2 細葉榕氣生根發育的遺傳基礎

 

為了研究對葉榕的性染色體進化與性別決定基因,作者構建了超高密度遺傳圖譜。在Chr12中,起始~2?Mb區的一個非重組區被鑒定為性別決定區(SDR),并在該區域高置信度地注釋了一個MADS-box轉錄因子(Fh.12g000020)。12號染色體上一個不重組的性共分離區的鑒定表明,雌雄異株的對葉榕已經進化出一對初生的性染色體。

此外,作者新開發了染色體定相方法并重新組裝了X和Y染色體。X染色體和Y染色體中分別為21.9 Mb和22.6 Mb,表明Y染色體已經擴展了700 kb(圖3C)。比較X和Y染色體,結合存在或缺失變異(PAV)分析及RNA-seq分析以及重測序比對,顯示蛋白編碼基因(Fh.12g000020)基因只存在于雄性基因組中,而不存在于雌性基因組中,是影響性別決定的主要因素(圖3E)。

花發育C類基因AG在雌雄異株的對葉榕中有兩次重復,而在雌雄同株的細葉榕中沒有重復。FhAG2定位于SDR,無X等位基因,具有雄性特異性,是性別決定的有力候選基因。并且AG旁系同源基因在其他三種雌雄異株物種中,僅在雄性基因組內存在。

 

圖3 對葉榕Y染色體及性別決定基因鑒定?

 

利用112份榕樹材料的基因組重測序數據,建立了榕樹的系統發育史,其中包括62種榕樹屬,包括2個雌雄同株亞屬(Pharmacosycea, Urostigma)和4個雌雄異株亞屬(Sycidium,Sycomorus, Synoecia?,Ficus),它們代表了榕樹的6個亞屬和主要分支。白肉榕亞屬(Pharmacosycea)被分至兩類,進化樹、ADMIXTURE、遺傳相關性分析及ABBA-BABA分析發現了整個屬存在潛在廣泛的種間雜交。系統發育揭示了雌雄同株代表了整個屬的祖先繁殖系統(圖4)。分化時間顯示,始新世時期(約47.5 Mya)出現了雌雄同株和雌雄異株的分化。

 

圖4 榕樹進化史

 

七千五百萬年來,榕樹和榕小蜂之間的專性協同進化在這個協同進化系統中形成了形態和生理上的相適應。榕樹在全球和當地都有極高的物種多樣性,同域近緣榕果物種間生殖隔離的主要原因是傳粉蜂的特異性。為了探討榕果與傳粉蜂協同進化的潛在分子機制,作者利用14個來自Sycomorus亞屬的榕樹和其相應傳粉蜂的重測序數據進行分析。系統發育分析表明,在這個分類水平上,寄主關聯具有很強的保守性,同時也檢測到一些寄主轉移事件。為了確定在這些協同進化的物種中可能經歷了相互選擇和分化的候選基因,作者利用Tajima’D和SweeD分析對榕果和傳粉蜂基因組進行了選擇性清除分析,顯示在榕果和傳粉蜂中生長相關的基因、榕果揮發物相關基因和傳粉蜂化學感應系統相關基因受到一定的選擇作用。并通過榕小蜂對三種不同榕果釋放揮發物質的電生理測試,支持了甲羥戊酸和莽草酸途徑在吸引特定傳粉者方面的重要作用(圖5),揭示了在這種專性互利共生中共分化的潛在分子機制。

 

圖5 共進化和與形態學有關的基因的群體研究

 

團隊介紹

福建農林大學基因組與生物技術研究中心成立于2013年,由教育部“長江學者”明瑞光教授擔任首席科學家及中心主任,主要以甘蔗、木瓜和菠蘿等熱帶、亞熱帶作物以及區域特色作物作為研究對象。成立短短幾年來,已在《Cell》、《Nature Genetics》、《Genome Research》、《Genome Biology》、《The Plant Journal》等刊物發表系列高水平文章,培育了大批高水平生物學人才。明瑞光教授為本文通訊作者。

中國科學院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態學重點實驗室動植物關系研究組(EEPAI)建立于2002年,由中國科學院西雙版納熱帶植物園主任、中國植物園聯盟理事長陳進研究員擔任研究組組長,試圖用野外生態學、分子生態學和生物化學等多學科研究手段,研究動植物相互關系對生態系統的影響及其在進化上的意義,幾年間已在動植物相互關系及協同進化、生態學及環境教育等領域發表系列高水平文章。陳進研究員為本文共同通訊作者。

本文第一作者張興坦副教授,碩士生導師。2015年7月進入福建農林大學基因組與生物技術研究中心工作。主持國家自然科學基金1項,福建省基金1項。近年來以第一作者或共同第一作者在Cell,Nature,Nature Genetics, Nature Plants,Plant Biotechnology Journal等國際學術期刊發表SCI論文多篇。

本文第一作者王剛副研究員。2013年進入中國科學院西雙版納熱帶植物園工作;承擔科研項目情況:中國科學院人才項目,中國科學院青年創新促進會會員;國家自然科學基金面上項目;國家自然科學青年基金項目等。

 

百邁客Hi-C優勢

自2016年初以來,百邁客利用Hi-C技術進行染色體水平的基因組組裝及染色體三維構象的研究,成功開發出六堿基、四堿基酶切方案,組裝、互作輕松拿下。截至2020年9月,百邁客Hi-C完成300多個物種,文庫數量已經近2000個,文庫含酶切位點的有效數據比例最高達93%以上。自2018年5月第一篇高質量亞洲棉基因組文章見刊起,百邁客Hi-C項目成功案例相繼見刊勢如破竹。短短2年間,成功案例已突破40余篇,更是有超過5篇合作案例刊登于頂尖雜志Nature Genetics,其中不乏二倍體、同源多倍體、異源多倍體等復雜且高質量基因組的獲得,高階文章的連續發表印證了百邁客Hi-C技術在科研領域中的絕對優勢。

 

參考文獻:

[1] Zhang J, Zhang X et al.,Allele-defined genome of theautopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum?L.Nature Genetics.2018.

[2]Chen L ,VanBuren R, Paris M et al.,The bracteatus pineapple genome and domestication of clonally propagated crops. Nature genetics.2019.

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