湖南農大曾建國團隊聯(lián)合菲沙基因首次破譯十倍體魚(yú)腥草基因組！
魚(yú)腥草（Houttuynia cordata），別名折耳根、狗心草，以其特有的魚(yú)腥味而得名。魚(yú)腥草含有多種生物活性成分，如魚(yú)腥草素、生物堿等。在中醫中，因具有清熱解毒、消炎利尿的功效，魚(yú)腥草被廣泛用于治療感冒、咳嗽、肺炎等呼吸系統疾病。此外，魚(yú)腥草還具有抗腫瘤、抗氧化等作用，是一種具有獨特藥用價(jià)值和經(jīng)濟價(jià)值的藥食同源植物。
2024年7月24日，湖南農業(yè)大學(xué)曾建國團隊聯(lián)合菲沙基因在園藝學(xué)Top期刊Horticulture Research上發(fā)表了題為“A Genome Assembly of decaploid Houttuynia cordata Provides Insights into the evolution of Houttuynia and the biosynthesis of alkaloids”的研究論文。該研究首先通過(guò)PacBio HiFi和Hi-C測序，構建了首個(gè)染色體水平的十倍體魚(yú)腥草基因組，隨后通過(guò)比較基因組分析解析了魚(yú)腥草特有的WGD事件，并結合轉錄組、基因家族鑒定等分析闡述了參與其生物堿合成的關(guān)鍵基因，從而為魚(yú)腥草的基因組進(jìn)化和生物堿合成研究提供了新見(jiàn)解。菲沙基因承擔了本研究中的基因組測序與分析等工作。
圖1 文章發(fā)表信息
鑒于魚(yú)腥草復雜倍性，研究者首先對魚(yú)腥草進(jìn)行了核型分析，結果表明其核型為2n=10x=90。隨后通過(guò)Revio平臺和Hi-C，研究者對測序數據進(jìn)行了初步組裝和人工校正，獲得了高質(zhì)量和高準確性的十倍體魚(yú)腥草染色體水平基因組。組裝基因組共88條染色體（Chr15_sub1和Chr17_sub4各代表兩條同源染色體），基因組大小為2.4Gb，Contig N50=19.83Mb?；蚪M組裝評估顯示，HiFi比對率99.7%，BUSCO評估完整性為98.8%，LAI值為13.21，QV值為70.50，進(jìn)一步表明組裝的高質(zhì)量基因組。
圖2 十倍體魚(yú)腥草的基因組特征
結合染色體核型、Survey分析、Hi-C互作熱圖、染色體共線(xiàn)性、Smudgeplot分析等證據，研究者證實(shí)了魚(yú)腥草十倍體的復雜性。并進(jìn)一步將十倍體魚(yú)腥草分為A、B兩套亞基因組，其中A亞基因組包括Chr1、Chr3、Chr6、Chr8、Chr10、Chr12、Chr14、Chr15和Chr18，其大小為1.18Gb，B亞基因組包括Chr2、Chr4、Chr5、Chr7、Chr9、Chr11、Chr13、Chr16和Chr17，其大小為1.23Gb。
圖3 十倍體魚(yú)腥草亞基因組特征
基于16個(gè)物種的比較基因組分析，結果表明魚(yú)腥草特有基因家族為5044個(gè)，主要富集在與次生代謝產(chǎn)物合成相關(guān)的通路中；這16個(gè)物種中，魚(yú)腥草與胡椒的親緣關(guān)系最近，兩者分化時(shí)間為76.6個(gè)百萬(wàn)年前；魚(yú)腥草擴張的基因家族也富集在與次生代謝產(chǎn)物合成相關(guān)的通路中，表明擴張基因促進(jìn)了其豐富的代謝產(chǎn)物。全基因組加倍（WGD）分析揭示了魚(yú)腥草基因組經(jīng)歷了兩次WGD事件，分別發(fā)生在約1700萬(wàn)年前和330萬(wàn)年前。這些事件可能導致了同源基因副本數量的增加，對魚(yú)腥草的進(jìn)化和適應性產(chǎn)生了重要影響。WGD/片段復制是魚(yú)腥草基因組復制的主要形式，占比91.95%。功能富集分析顯示，通過(guò)WGD/片段復制產(chǎn)生的基因與類(lèi)黃酮生物合成、植物-病原體互作等生物學(xué)過(guò)程相關(guān)，這可能增強了魚(yú)腥草的環(huán)境適應性和代謝多樣性。
圖4 魚(yú)腥草的比較基因組學(xué)分析
結合轉錄組分析和基因家族鑒定，研究者對魚(yú)腥草生物堿合成和根部發(fā)育中的顯著(zhù)擴張基因進(jìn)行了分析。這些包括與異喹啉生物堿（isoquinoline alkaloids, IQAs）和吲哚生物堿（indole alkaloids, IAs）生物合成密切相關(guān)的基因家族。例如，對于IQAs生物合成至關(guān)重要的芳香族L-氨基酸/L-色氨酸脫羧酶（DDC）基因家族，在魚(yú)腥草基因組中鑒定出102個(gè)同源基因。此外，6-O-甲基轉移酶（6OMT）和4-O-甲基轉移酶（4OMT）基因家族也經(jīng)歷了顯著(zhù)擴展，這與IQAs的合成密切相關(guān)。特別是，嚴格吲哚生物堿合酶（STR）基因家族表現出顯著(zhù)的擴展，這些基因家族的擴展可能增強了魚(yú)腥草合成IQAs和IAs的能力，這些生物堿因其抗炎、抗微生物和抗癌特性而具有重要的藥用價(jià)值。此外，與根部結構形成和生長(cháng)密切相關(guān)的三磷酸隧道金屬酶3（TTM3）基因家族在魚(yú)腥草基因組中也表現出擴展，這可能增強了植物對環(huán)境的適應能力，例如通過(guò)提高從土壤中吸收營(yíng)養的效率或增加對干旱和鹽分等非生物脅迫的抵抗力。
圖5 魚(yú)腥草生物堿合成和根系發(fā)育相關(guān)基因鑒定
綜上，本研究首次破譯了十倍體魚(yú)腥草基因組，解析了其十倍體亞基因組特征；結合比較基因組分析對其WGD事件進(jìn)行了詳細描述，并結合多組學(xué)分析鑒定了參與魚(yú)腥草生物堿合成和根系發(fā)育的關(guān)鍵基因。本研究的詳實(shí)的組學(xué)數據和分析結論為魚(yú)腥草基因組進(jìn)化、生物堿合成和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要理論參考。
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