小麦族St全基因组测序及蜡质合成新基因Kcs挖掘

2024年3月6日，BMC Genomics在线发表了四川农业大学周永红和张海琴课题组题为“A chromosome level genome assembly ofPseudoroegnerialibanoticareveals a keyKcsgene involves in the cuticular wax elongation for drought resistance”的研究成果。

小麦族是禾本科植物中十分重要的一个类群，其中包含了小麦、大麦、黑麦等主要粮食作物，也包含了冰草属、披碱草属、拟鹅观草属等许多重要的牧草资源。拟鹅观草属（PseudoroegeriaÁ. Löve）是1980年由Löve根据染色体组组成建立的一个新属，其染色体组为St，有二倍体和四倍体，St基因组参与了小麦族8个属150余种的物种形成，是小麦族中最重要的基本基因组之一。拟鹅观草属植物广泛分布于干旱/半干旱地区，因此具良好的干旱适应性。拟鹅观草属植物是优良的牧草资源，且是小麦的三级基因源，可用作麦类作物抗旱性遗传改良的来源。

本研究采用二代Illumina +三代Nanopore的策略对拟鹅观草进行深度测序，结合Hi-C技术辅助组装基因组，首次获得了高质量拟鹅观草参考基因组。结果表明，拟鹅观草基因组大小为2.99 Gb，contig N50长度为0.96 Mb，super scaffold N50为398.55 Mb，GC含量为45.07%，。注释得到46,369个编码基因，重复序列占比71.62%。通过Hi-C技术将2.75 Gb的scaffold序列锚定于7条染色体上，占总基因组大小的92.09%。染色体大小在327.30 Mb (Chr4) ~ 464.04 Mb (Chr2)之间（图1）。

图1拟鹅观草基因组特征

从外向内依次是：a：染色体（Chr1-7）名称和大小；b：基因密度；c：重复序列密度（窗口大小500 Kb）；d：LTR Gypsy（窗口大小500 Kb）；e：LTR Copia（窗口大小500 Kb）；f：GC含量（%）；g：扩张基因（窗口大小10Mb）；h：收缩基因（窗口大小10Mb）。i：染色体同源关系。

为了探索St基因组的系统发育和分化，使用14个物种共享的单拷贝直系同源基因进行系统发育分析并构建系统发育树。结果显示：高粱和玉米是C₄植物，在系统发育树上首先分化出来，之后水稻、二穗短柄草和鸭茅相继分化出来。小麦族物种在系统发育树上聚在一支，拟鹅观草在距今约10.7百万年前出现，晚于大麦（约11.9百万年前）且早于黑麦（约9.6百万年前）分化出来（图2A）。

基因家族的聚类分析结果显示：14个物种的18个（亚）基因组一共聚类出28,260个基因家族，共有基因家族为5383个，其中各个物种共有的单拷贝基因家族为744个（图2-12A）。提取节节麦、中国春、大麦、黑麦、拟鹅观草基因组相应的聚类结果，绘制韦恩图（图2C），从Venn图中可见，相对于其它物种，拟鹅观草有1078个特异的基因家族（包含1078个基因）。

全基因组复制（WGD）事件指植物在进化过程中发生的全基因组水平的重复事件，在植物基因组中广泛存在，被认为是植物基因组进化的重要推动力量。为了确认拟鹅观草基因组是否存在全基因组复制事件，对拟鹅观草、鸭茅和二穗短柄草基因组的同义替换率（Ks）进行计算。结果显示：Ks峰值为0.20，出现在拟鹅观草与鸭茅分化峰值（0.05）和拟鹅观草与二穗短柄草分化峰值（0.05）之后，表明在禾本科的共同祖先中发生了全基因组复制事件（图2B）。

图2拟鹅观草基因家族与基因组进化

通过拟鹅观草干旱胁迫下的转录组数据分析，鉴定出14个和角质层蜡质合成相关的基因，包含19个转录本。其中包括1个乙酰辅酶A羧化酶（ACC）基因、1个脂酰-酰基载体蛋白硫酯酶B（FatB）基因、10个酮脂酰基辅酶A合酶（KCS）基因、4个脂肪酰基辅酶A还原酶（Facr）基因、2个醛脱羰基酶（Cer）基因和1个P450依赖性酶（CYP）基因。它们共同作用赋予拟鹅观草一定的抗旱性。

在脂肪酸合成途径中，Acc和Fatb在干旱胁迫期间表达上调。在脂肪酸延长过程中，Kcs5.1、Kcs5.2和evm.TU.CTG175.54基因表达显著上调，其他Kcs基因表达显著下调。催化超长链脂肪酸合成包括脂肪醇合成过程（Facr）和烷烃合成过程（Cer和CYP96A15），其中，仅有Farc1.1在干旱胁迫期间下调表达，其余基因均上调表达（图3）。综上，推测Kcs5.1、Kcs5.2和evm.TU.CTG175.54是调控拟鹅观草角质层中脂肪酸延长的主要因子。

图3拟鹅观草干旱胁迫下角质层蜡质生物合成途径相关基因的表达量变化

本研究为拟鹅观草基因组学研究奠定了重要基础。同时丰富了小麦族物种的基因资源库，并且为解析拟鹅观草抗旱分子机制提供了有价值的信息。

四川农业大学小麦研究所在读博士翟星光、吴丹丹博士和陈晨为本论文的共一作者。四川农业大学小麦研究所周永红教授和草业科技学院张海琴教授为本论文共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金（32270388；32200180）和四川省科学技术厅（23NSFSC1995）的支持。

原文链接：https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-024-10140-5