西南大學(xué)合作完成生姜基因組計(jì)劃

　　生姜是世界性藥食同源辛香蔬菜之一。中國(guó)生姜栽培面積、產(chǎn)量和出口量均居全球第一位。生姜產(chǎn)業(yè)在我國(guó)西南地區(qū)單產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益高，已被重慶市列入“七大特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈”，作為推動(dòng)鄉(xiāng)村振興的優(yōu)選產(chǎn)業(yè)。姜辣素是生姜特有的呈味物質(zhì)，也是生姜多種功能活性的主要功能因子，在調(diào)味品、化妝品和醫(yī)療保健等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，長(zhǎng)久以來(lái)生姜基因組信息的缺乏，限制了我們對(duì)生姜基因組的研究和姜辣素合成調(diào)控機(jī)理的理解，導(dǎo)致了生姜分子育種發(fā)展緩慢。

 

　　2021年8月5日，Horticulture Research 在線發(fā)表了題為Haplotype-resolved genome of diploid ginger （Zingiber officinale） and its unique gingerol biosynthetic pathway的研究論文。

 

 

　　該研究破解了西南地區(qū)主栽品種竹根姜的基因組，利用短讀長(zhǎng)（369.51 Gb），長(zhǎng)讀長(zhǎng)PacBio（285.81 Gb）及Hi-C（563.16 Gb）策略組裝出竹根姜兩套單倍型高質(zhì)量基因組，單倍型的基因組大小分別為1.53 Gb （contig N50: 4.68 M） 和1.51 Gb （contig N50：5.28 M），98.11%的序列錨定到22條染色體（圖1）。PacBio 讀長(zhǎng)在2個(gè)單倍型的overlap分別為 97.95%和98.1%，顯示了分型的準(zhǔn)確性。兩套單倍型的Ka/Ks分析揭示生姜馴化歷史過(guò)程中經(jīng)歷了相似的選擇壓力。通過(guò)等位基因分析，總共55,635個(gè)基因（占所有基因的72%）在兩個(gè)單倍型中具有同源性。生姜17,226對(duì)等位基因中，11.9%在轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)出染色體偏好性（圖2）。該研究發(fā)現(xiàn)生姜基因組雜合度3.6%，是目前已報(bào)道雜合度最高的植物基因組。重復(fù)序列高，其中長(zhǎng)末端片段重復(fù)（long terminal repeats，LTRs）占61.06%，可能是導(dǎo)致其基因組大、雜合度高的主要原因，同時(shí)也是生姜基因組進(jìn)化的主要驅(qū)動(dòng)力。生姜等位基因在兩套單倍型中沒(méi)有展現(xiàn)出表達(dá)差異，17,226對(duì)等位基因中有2055對(duì)（11.9%）在轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)出染色體偏好性。

 

　　通過(guò)整合基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，該研究構(gòu)建了生姜特有成分姜辣素的合成通路，篩選出12個(gè)參與姜辣素合成的關(guān)鍵酶家族（PAL, C4H, 4CL, CST, C3′H, C3OMT, CCOMT, CSE, PKS, AOR, DHN, 和DHT），鑒定出38個(gè)可能調(diào)控姜辣素合成的重要轉(zhuǎn)錄因子家族，并繪制出姜辣素合成的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

 

　　圖3. 生姜中重要次級(jí)代謝產(chǎn)物定量分析及姜辣素合成通路解析。A. 樣本采集示意圖；B. 以正/負(fù)離子模式鑒定到的生姜根莖代謝產(chǎn)物的主成分分析；C. 姜辣素生物合成關(guān)鍵基因的表達(dá)通路。

 

　　該工作由劉奕清教授（重慶文理學(xué)院、長(zhǎng)江大學(xué)）牽頭，西南大學(xué)和華大基因等參與共同完成。生物學(xué)研究中心董照明副教授為共同第一作者，夏慶友教授為共同通訊作者，趙萍教授、王翊教授和張艷副教授作為合作者參與。該研究得到了重慶文理學(xué)院生姜基因組重大專(zhuān)項(xiàng)、重慶市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。