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中美肯三國科學(xué)家聯(lián)合研究方莖白粉藤基因組學(xué)及抗旱機制

作者：來(lái)源：發(fā)布日期：2024-04-24

方莖白粉藤（Cissus quadrangularis）是葡萄科白粉藤屬多年生肉質(zhì)藤本，主要分布于熱帶亞熱帶地區，具有很強的抗旱能力。方莖白粉藤的葉片和莖的光合途徑不同，葉片中為C₃途徑，而莖中為景天酸代謝（crassulacean acid metabolism，CAM）途徑，因此是研究植物干旱適應性和CAM起源的好材料。

中-非中心依托單位中國科學(xué)院武漢植物園植物多樣性與進(jìn)化學(xué)科組研究人員通過(guò)與國際、國內學(xué)者合作，利用二、三代測序和Hi-C技術(shù)完成了方莖白粉藤染色體級別基因組的組裝、注釋和特征分析，并結合轉錄組數據解析了該物種對干旱脅迫的應答以及CAM途徑關(guān)鍵基因的表達模式。

利用150 × 二代基因組序列對方莖白粉藤的基因組特征進(jìn)行了評估，結果表明其基因組大小約為680Mb，為異源四倍體（2n=4×=48）。根據方莖白粉藤與二倍體圓葉白粉藤基因組的親緣關(guān)系，將該基因組分為A和B亞基因組。等位基因的表達分析結果顯示A為主效基因組。系統進(jìn)化分析表明方莖白粉藤與葡萄約在68.4個(gè)百萬(wàn)年前發(fā)生分化，與圓葉白粉藤約在28.3 個(gè)百萬(wàn)年前發(fā)生分化。方莖白粉藤基因組在近期還發(fā)生了一次全基因組二倍化事件，形成了異源四倍體。

圖1. 方莖白粉藤的形態(tài)和基因組信息

多物種基因家族收縮擴張比較分析結果顯示，方莖白粉藤中LEA、R gene、CYP450等基因家族發(fā)生了擴張。此外，轉錄組分析結果顯示干旱條件下方莖白粉藤莖中角質(zhì)、木質(zhì)素和蠟質(zhì)合成相關(guān)基因上調表達，有助于莖中的水分保持。以C3途徑的葉片為對照，利用轉錄組數據分析了莖中基因的表達規律，發(fā)現PPCK和NAD-ME等基因的表達有明顯的晝夜節律，可能與莖的CAM途徑相關(guān)。這些結果為方莖白粉藤干旱適應性研究提供了新的線(xiàn)索。

圖2. 莖和葉應對干旱脅迫不同生物學(xué)過(guò)程

本研究是團隊成員在前期圓葉白粉藤基因組組裝（https://doi.org/10.1093/hr/uhac208）的基礎上，再次開(kāi)展的對異源四倍體方莖白粉藤的基因組解析和干旱適應性探究。該工作豐富了白粉藤屬物種的基因組信息，為植物的抗旱性研究提供了理論基礎，也為葡萄科物種的進(jìn)化研究提供了參考。

該研究由中國科學(xué)院武漢植物園、中國科學(xué)院植物研究所、中國科學(xué)院中-非聯(lián)合研究中心、廣西大學(xué)、美國北卡羅來(lái)納州立大學(xué)、肯尼亞喬莫-肯雅塔農業(yè)與技術(shù)大學(xué)等單位組成的聯(lián)合研究小組共同完成，中國科學(xué)院武漢植物園植物多樣性與進(jìn)化學(xué)科組博士生李青云和中國科學(xué)院植物研究所葡萄與葡萄酒科學(xué)研發(fā)團隊王毅副研究員為該論文共同第一作者。中國科學(xué)院武漢植物園園藝作物逆境生物學(xué)學(xué)科組辛海平研究員與植物多樣性與進(jìn)化學(xué)科組王青鋒研究員為該論文的共同通訊作者。

相關(guān)研究成果以“The Cissus quadrangularis genome reveals its adaptive features in arid habitat”為題發(fā)表在國際植物學(xué)期刊Horticulture Research上。研究得到了國家自然科學(xué)基金委國際合作項目和中國科學(xué)院中-非聯(lián)合研究中心重點(diǎn)部署項目的資助。

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