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重大突破:中國熱科院牽頭發布椰子高質量基因組,并解密發生在400萬年前的椰子“綠色革命”

作者:棕櫚專業委員會 肖勇 來源:中國熱帶農業科學院 發表時間:2021-11-10 點擊: 我要分享

近日,中國熱科院椰子研究所作為第一完成單位,聯合海南大學、廣西大學、華北理工大學科研團隊,在國際學術期刊 Genome Biology(影響因子:13.58;中科院一區)上發表題為“High-quality reference genome sequences of two coconut cultivars provide insights into evolution of monocot chromosomes and differentiation of fiber content and plant height”的研究論文。該研究繪制了兩個參考級別椰子基因組,結合變異組學、轉錄組學、代謝組學以及細胞學等,揭示了單子葉植物染色體的進化過程和椰子染色的形成歷程;分析了高矮兩種椰子耐鹽性、株高、纖維和脂質含量等關鍵性狀差異的遺傳基礎,同時發現在椰子進化過程中,約在400萬年前自然發生的“綠色革命”。構建了高、矮種椰子基因組精細圖譜,其中高種椰子基因組大小為2.39 Gb,矮種椰子基因組大小為2.40 Gb。


 

圖1椰子基因組組裝和基因組特征。

a 椰子基因組circos圖;

b椰子和睡蓮基因組之間的基因組共線分析;

c 同源基因Ks值的密度分布;

d 椰子與其他15種被子植物的系統發育樹;

e 椰子和其他三個棕櫚物種中的同源和旁同源基因家族。



該研究基于椰子、紫萍、菠蘿等基因組的共線性關系,重新構建了含有10條染色體的古單子葉植物基因組核型,并對椰子基因組核型的進化路線進行了推斷。該研究提出的新的模型,不同于先前的研究結果(5條或7條染色體),對解釋單子葉植物核型變化乃至被子植物的進化歷史都提供了新的觀點和研究方向。


 

圖2 單子葉原染色體的推斷和現存椰子染色體進化軌跡的重建。

a 通過評估現存染色體之間的共享同源性來鑒定原染色體;

b植物系統發育與單子葉植物原核型重建;

c從單子葉原染色體重建進化軌跡,形成現存的椰子染色體。


并進一步利用葉間距表型進行全基因組關聯分析,鑒定出了12號染色體上GA20ox基因與椰子株高顯著相關,并存在拷貝數變異(CNV);并整合多種手段驗證了GA20ox以及赤霉素代謝途徑在高矮種的差異導致了高矮種椰子的株高差異。該結果表明在椰子的進化過程中,大約在400百萬年前自然發生了“綠色革命”。


 

圖3多組學綜合分析揭示了椰子株高差異的分子基礎。

a 高矮葉子的葉節間表型;

b 椰子葉節間表型的全基因組關聯分析;

c 椰子幼苗期表型;

d椰子株高和GA20ox表達水平比較;

e 赤霉素的代謝途徑和高矮椰子間的基因表達差異;

f 椰子中赤霉素含量的差異;

g 高矮椰子細胞的光學顯微鏡照片;

h 葉片細胞長度的比較。

 

中國熱科院椰子研究所特聘研究員、海南大學王守創教授,中國熱科院椰子研究所肖勇研究員,華中農業大學周智偉博士、華北理工大學研究生袁嘉慶和海南大學博士研究生郭昊為該論文的共同第一作者。中國熱科院椰子研究所特聘研究員、海南大學羅杰教授,廣西大學陳玲玲教授和華北理工大學王希胤教授為該論文的共同通訊作者。本研究得到了海南省重大科技計劃項目、國家自然科學基金等項目的資助。


文章鏈接:https://doi.org/10.1186/s13059-021-02522-9


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