百合（Lilium spp.）以其迷人、芳香的花朵和營(yíng)養(yǎng)豐富的鱗莖而被譽(yù)為“球根花之王”，具有很高的觀賞、食用和藥用價(jià)值。然而，百合龐大的基因組給高質(zhì)量的基因組組裝帶來了挑戰(zhàn)。此前該屬尚無參考基因組。

蘭州百合 南京農(nóng)大供圖

近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院教授滕年軍團(tuán)隊(duì)、副教授薛佳宇團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院教授寧國(guó)貴團(tuán)隊(duì)與福建農(nóng)林大學(xué)教授明瑞光團(tuán)隊(duì)等國(guó)內(nèi)10多家科研團(tuán)隊(duì)，公布了百合高質(zhì)量染色體級(jí)別基因組，成為世界上首個(gè)正式報(bào)道的最大植物基因組。相關(guān)文章11月4日正式發(fā)表在《細(xì)胞》集團(tuán)旗下的《創(chuàng)新》（The Innovation）上。

該研究創(chuàng)新性地解析了TE擴(kuò)增和全基因組復(fù)制（WGD）對(duì)基因組膨脹的影響，發(fā)現(xiàn)了超長(zhǎng)基因的獨(dú)特表達(dá)模式，并通過多組學(xué)整合分析揭示了百合小鱗莖的碳水化合物代謝機(jī)制。

國(guó)際期刊《園藝學(xué)研究》主編、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授程宗明說，這些成果為理解巨型基因組的形成機(jī)制提供了新視角，并為百合及其他百合科藥、食、觀賞多用植物（如川貝母）的基因組研究和分子設(shè)計(jì)育種打開了大門，尤其是在超大和超復(fù)雜基因組組裝、多倍化進(jìn)化和代謝調(diào)控機(jī)制探索等方面提供了新方法、新思路、新洞見。非常高興這一研究由中國(guó)科學(xué)家領(lǐng)銜，聯(lián)合國(guó)際學(xué)者協(xié)同完成。

生物體復(fù)雜性與基因組大小是否相關(guān)？

基因組存儲(chǔ)了一個(gè)物種的完整遺傳信息，是理解其生物學(xué)特性和進(jìn)化歷程的關(guān)鍵?！白匀唤缰校煌锏幕蚪M揭示了生命之樹上基因組大小的巨大差異，其中一些植物擁有超大的基因組。然而，這些超大基因組的起源和形成機(jī)制卻不盡相同。”論文通訊作者滕年軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

由于技術(shù)困難和高成本，迄今為止，僅有少數(shù)大型基因組被解析?！吧矬w基因組大小的顯著多樣性具有重要的生物學(xué)意義，但生物體復(fù)雜性與基因組大小之間的相關(guān)性仍然不明確。”滕年軍說，大型復(fù)雜基因組的測(cè)序和組裝因多倍體、高雜合度和高重復(fù)序列比例等問題而具有挑戰(zhàn)性。

百合（Lilium spp.）是單子葉百合目百合科多年生植物，全世界約115種，其中中國(guó)有55個(gè)種和18個(gè)變種。中國(guó)百合的豐富多樣性有助于其廣泛利用，并為科學(xué)研究提供了寶貴的資源。

論文共同通訊作者薛佳宇說，由于基因組遠(yuǎn)大于其他真核生物，幾乎所有的百合物種都可以作為研究生物體復(fù)雜性和基因組大小關(guān)系的理想模型。

蘭州百合（L. davidiivar. unicolor）是唯一可食用的甜百合品種，已在中國(guó)蘭州種植約150年，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民提供了重要的收入來源。然而，經(jīng)過長(zhǎng)期栽培，蘭州百合種性開始退化，降低了鱗莖產(chǎn)量與品質(zhì)。

如何保存并發(fā)揚(yáng)好我國(guó)這一優(yōu)秀的種質(zhì)資源，科學(xué)家試圖從基因的角度找到答案。“我們選擇蘭州百合進(jìn)行基因組測(cè)序，一是顯示中國(guó)特色，二是希望獲得其巨大基因組的寶貴數(shù)據(jù)，從而促進(jìn)其遺傳改良和育種工作，為我國(guó)百合產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供重要理論指導(dǎo)?！彪贶娬f。

超大型基因組因何形成？

論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)鐘山青年研究員徐素娟介紹，利用流式細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和K-mer分析，他們預(yù)估蘭州百合基因組的大小分別為38.01 Gb左右，雜合率為2.18%。細(xì)胞核型分析顯示其為二倍體，具有12對(duì)巨型染色體。

隨后，結(jié)合Nanopore、Illumina和Hi-C數(shù)據(jù)，他們成功組裝得到了36.68 Gb的超大型基因組，96.99%的序列被掛載到12條染色體上。他們注釋87501個(gè)蛋白編碼基因，其中功能注釋比率為89.54%。評(píng)估結(jié)果顯示，蘭州百合的基因組的高完整性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

這個(gè)百合基因組是2000年破譯的人類基因組的10倍以上，是迷你小巧的擬南芥基因組的293倍。

為什么百合會(huì)形成超大型基因組？薛佳宇說，基因組大小的主要影響因素包括重復(fù)序列的積累和基因組多倍化。在蘭州百合基因組中，重復(fù)序列占比高達(dá)88.31%，其中長(zhǎng)末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（LTR-RTs）占64.40%。

分析顯示，蘭州百合的長(zhǎng)末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在近五百萬年以來發(fā)生急劇擴(kuò)張。約165萬年前和約89萬年前，分別爆發(fā)了兩種擴(kuò)張，其中的一些轉(zhuǎn)座子甚至發(fā)生了特異性的快速擴(kuò)張。這些擴(kuò)張對(duì)異染色質(zhì)區(qū)域有偏好，抑制重組，降低長(zhǎng)末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子去除率，從而造成短時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)末端重復(fù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的海量插入且無法去除，形成了蘭州百合超大的巨型基因組。

“全基因組復(fù)制也是基因組擴(kuò)張的潛在原因?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡邔巼?guó)貴說，百合經(jīng)歷了兩輪全基因組復(fù)制事件，與金錢蒲、蘆筍等植物的共線性分析支持了這一結(jié)論?；诤嘶虻南到y(tǒng)發(fā)育分析，將百合置于天門冬目的姊妹群，兩者分化于7200萬年前?；诖讼到y(tǒng)框架，盡管近緣的洋蔥和大蒜都額外多經(jīng)歷了兩輪全基因組復(fù)制，它們的基因組卻不到蘭州百合的一半大，表明百合在進(jìn)化過程中展現(xiàn)出與它們不同的模式。

特有的基因形成和表達(dá)規(guī)律

“蘭州百合基因組中的長(zhǎng)基因非常常見?！睂巼?guó)貴說，其平均長(zhǎng)度為57.61 Kb。而長(zhǎng)度超過50 Kb的基因被定義為“超長(zhǎng)基因”，占33.88%。

“然而蘭州百合基因編碼序列的平均長(zhǎng)度僅為847.17 bp，提示我們其長(zhǎng)內(nèi)含子才是形成超長(zhǎng)基因的主要原因?！睂巼?guó)貴說，百合基因的平均內(nèi)含子長(zhǎng)度約為19.13 Kb，在所有已發(fā)表的植物基因組中僅次于攀枝花蘇鐵。

對(duì)基因表達(dá)模式的分析發(fā)現(xiàn)，百合基因長(zhǎng)度與表達(dá)水平顯著相關(guān)，但表現(xiàn)出變化的趨勢(shì)：短于50 Kb的基因表達(dá)水平隨基因長(zhǎng)度變長(zhǎng)而持續(xù)上升，而長(zhǎng)于50 Kb的基因則表達(dá)持續(xù)下降。他們推測(cè)，50 Kb可能是限制基因轉(zhuǎn)錄或內(nèi)含子剪接效率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這種表達(dá)變化尚未在其他物種中見到，可能為百合獨(dú)有的特征。

此外，他們還重點(diǎn)關(guān)注了與百合鱗莖相關(guān)的基因。百合鱗莖是儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)的器官，是東亞地區(qū)藥品和食品工業(yè)的重要資源。為了研究百合小鱗莖發(fā)育過程中營(yíng)養(yǎng)積累及其潛在機(jī)制，他們收集了五個(gè)發(fā)育階段的小鱗莖樣本，進(jìn)行了全面的細(xì)胞學(xué)、轉(zhuǎn)錄組和代謝組分析。

研究發(fā)現(xiàn)，在小鱗莖發(fā)育的整個(gè)過程中，淀粉和蔗糖積累都在持續(xù)進(jìn)行，而大量參與糖酵解代謝途徑的基因在小鱗莖中呈現(xiàn)出高度表達(dá)，表現(xiàn)出明顯的器官特異性表達(dá)模式。

此外，在五個(gè)發(fā)育階段的小鱗莖中檢測(cè)到總計(jì)870種代謝物，包括碳水化合物、脂類和酚酸等，展現(xiàn)出豐富的代謝多樣性。代謝組與轉(zhuǎn)錄組的關(guān)聯(lián)分析顯示，碳水化合物代謝物與一個(gè)基因表達(dá)模塊顯著相關(guān)，該模塊可能包含了編碼碳水化合物和淀粉代謝途徑酶的基因。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100726

【中國(guó)科學(xué)報(bào)】百合：最大植物基因組背后的秘密

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