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NP精讀丨石斛屬超級(jí)泛基因組研究

      蘭花是被子植物中最大且最為多樣化的科之一，石斛屬（Dendrobium Sw.）是蘭科三大屬之一，包含約1800個(gè)物種。石斛屬物種表現(xiàn)出高度多樣化和復(fù)雜的形態(tài)，由于其觀賞和藥用價(jià)值，石斛在全球范圍內(nèi)引起了公眾和研究人員的廣泛關(guān)注和興趣，成為許多國(guó)家和地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)植物。

      最近，來(lái)自新加坡和中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)合作在著名期刊Nature Plants上面發(fā)表了名為《Pangeneric genome analyses reveal the evolution and diversity of the orchid genus Dendrobium》的研究論文，文章通過(guò)測(cè)序和分析17個(gè)染色體級(jí)別的高質(zhì)量基因組構(gòu)建了石斛屬超級(jí)泛基因組，通過(guò)解析一個(gè)石斛屬雜交種單倍型基因組，揭示了雜合基因組中的單倍型變異和等位基因不平衡。在石斛屬泛尺度分析中的發(fā)現(xiàn)極大地揭示蘭科植物起源、進(jìn)化和多樣化的奧秘，同時(shí)也顯著促進(jìn)了石斛育種中遺傳多樣性的有效利用。

 

一、石斛雜交種單倍型基因組

      石斛屬雜交二倍體“Chao Praya Smile”（2n = 2x = 38）的譜系來(lái)源于石斛屬中的8個(gè)物種。作者通過(guò)PacBio HiFi測(cè)序和Hi-C測(cè)序構(gòu)建了這個(gè)雜交種單倍型基因組，通過(guò)共線性分析識(shí)別兩個(gè)單倍型上存在大量的SNP、Indel和SV變異。其中38%的SVs與3,486個(gè)基因的編碼區(qū)及側(cè)翼區(qū)域（2 kb）重疊，表明SVs在基因調(diào)控中可能具有潛在作用。例如，兩個(gè)石斛單倍型中的WSD11同源基因在內(nèi)含子區(qū)域包含兩個(gè)PAVs，并在萼片、花瓣和唇瓣中表現(xiàn)出不同的表達(dá)水平。

      隨后作者發(fā)現(xiàn)1,476個(gè)基因在所有組織中始終偏向一個(gè)等位基因表達(dá)（conASE），126個(gè)基因在不同等位基因之間切換高表達(dá)（inASE），以及6,704個(gè)AEE基因。而與AEE基因相比，ASE基因中SVs的發(fā)生頻率更高，這突顯了雜交石斛蘭從親本物種繼承的多態(tài)性所產(chǎn)生的高度發(fā)育可塑性。

圖1：石斛雜交種的基因組分析

 

二、13個(gè)石斛屬物種基因組

      為了全面探索石斛屬蘭花的基因組多樣性，作者從12個(gè)主要石斛屬組中選擇了16個(gè)物種，其中3個(gè)已有發(fā)表的染色體級(jí)別參考基因組，作者對(duì)剩余的13個(gè)物種以及雜交種“Chao Praya Smile”分別進(jìn)行了PacBio HiFi、Hi-C和Illumina測(cè)序。隨后，對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行了denovo組裝，得到的contig N50為5.71至25.39 Mb（平均14.08 Mb），scaffold N50為39.08至100.29 Mb（平均60.31 Mb）。BUSCO評(píng)估、LAIs和Merqury評(píng)估顯示14個(gè)基因組組裝均具有高準(zhǔn)確性、完整性和連續(xù)性。

      注釋分析顯示組裝的基因組中平均識(shí)別出25,122個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，范圍從20,004到31,440個(gè)。TEs在這些基因組中平均占58.66%，范圍從52.99%到65.88%。

圖2：17個(gè)石斛屬物種基因組情況

 

三、石斛屬演化歷史分析

      除了所有現(xiàn)存蘭花物種共有的一次全基因組復(fù)制（WGD）事件外，在石斛屬中未檢測(cè)到額外的WGD。作者構(gòu)建了一個(gè)高可信度的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，并使用來(lái)自27個(gè)不同植物物種的單拷貝直系同源基因家族計(jì)算了分歧時(shí)間。收縮和擴(kuò)張基因家族分析顯示擴(kuò)張的基因家族可能增強(qiáng)了石斛屬對(duì)廣泛的地理和氣候變化的適應(yīng)能力。

      盡管石斛屬被認(rèn)為包含兩個(gè)主要分支（北方分支和南方分支），但其最早祖先的確切年齡仍存在爭(zhēng)議。根據(jù)文章系統(tǒng)發(fā)育分析表明，它們的分歧可以追溯到2810萬(wàn)年前，此外，文章還澄清了多個(gè)之前分類(lèi)可能錯(cuò)誤的物種情況。分子系統(tǒng)發(fā)育與基于形態(tài)特征和地理位置的傳統(tǒng)分類(lèi)之間的這種差異，說(shuō)明由于石斛屬驚人的物種多樣性，建立連貫的分類(lèi)系統(tǒng)非常復(fù)雜。

 

四、超級(jí)泛基因組和CNSs分析

      作者利用蛋白質(zhì)編碼基因進(jìn)行了石斛屬超級(jí)泛基因組分析。在所有泛基因簇中，23.99% 為核心基因簇，15.00%是軟核心基因簇，49.28%為可缺失基因簇，11.73%為特有基因簇。核心和軟核心基因的Ka/Ks比值低于可缺失基因和特有基因，且Pfam注釋率更高，這表明核心和軟核心基因在進(jìn)化上更為保守。另外可缺失基因和特有基因的轉(zhuǎn)座元件（TE）覆蓋度高于核心和軟核心基因，這表明TE在產(chǎn)生基因變異性方面發(fā)揮著更為活躍的作用。

      此外，作者發(fā)現(xiàn)，4024 個(gè)核心基因含有石斛屬特異性的保守非編碼序列（CNSs），并且這些基因在與脂肪酸代謝和碳代謝相關(guān)的通路中顯著富集，而這兩種代謝對(duì)于能量產(chǎn)生和植物生長(zhǎng)均至關(guān)重要。

圖3：石斛屬super-pangenome構(gòu)建

 

五、石斛屬基因組倒位研究

      作者通過(guò)對(duì)滇桂石斛（D. lindleyi）與其他15個(gè)來(lái)自不同譜系的基因組進(jìn)行兩兩比對(duì)，在屬的尺度上共鑒定出49,701個(gè)非冗余倒位，平均每物種有16Mb的基因組序列受到影響。倒位的長(zhǎng)度在1kb到62kb之間，平均長(zhǎng)度為2.3kb。

      作者發(fā)現(xiàn)，倒位區(qū)域的TE含量顯著低于周邊區(qū)域。對(duì)倒位內(nèi)基因的Ka/Ks以及Pfam注釋率的分析表明，與非倒位區(qū)域相比，倒位區(qū)域具有更為保守和古老的起源。共享倒位和特異性倒位主要與核心基因和軟核心基因相關(guān)，GO和KEGG富集分析顯示，共享倒位或特異性倒位中的基因在基本生物學(xué)過(guò)程中富集，而非倒位區(qū)域的基因主要與應(yīng)激防御相關(guān)的次生代謝產(chǎn)物、植物-病原體相互作用以及激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)，這些基因可能在從共同祖先分化后，為響應(yīng)局部環(huán)境而發(fā)生了動(dòng)態(tài)演化。

圖4：石斛屬倒位維持了古老的遺傳變異

 

六、TE推動(dòng)石斛演化和多樣性形成

      文章發(fā)現(xiàn)石斛屬基因組大小差異主要由TE擴(kuò)增導(dǎo)致，平均77.4%的石斛屬基因通過(guò)WGD事件以及各種單基因復(fù)制模式進(jìn)行了復(fù)制，作者注意到轉(zhuǎn)座復(fù)制基因的數(shù)量存在動(dòng)態(tài)變化可能與石斛屬中多樣的TE擴(kuò)增有關(guān)。相較于由WGD產(chǎn)生的基因，單基因復(fù)制產(chǎn)生的基因進(jìn)化速率更高，此外重復(fù)基因?qū)χg的表達(dá)差異也受到TE的影響。

      LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在石斛物種分化后的500萬(wàn)年間經(jīng)歷了顯著擴(kuò)增。LTR的爆發(fā)可能有助于石斛屬物種適應(yīng)局部環(huán)境變化。

      作者進(jìn)一步為17個(gè)石斛屬基因組構(gòu)建了超級(jí)泛TE文庫(kù)，鑒定出44,837個(gè)非冗余TE家族，將其分為三類(lèi)：核心TE、可變TE和獨(dú)特TE，獨(dú)特TE家族的數(shù)量遠(yuǎn)多于核心TE家族，這表明石斛屬基因組中TE類(lèi)型存在顯著差異。獨(dú)特TE對(duì)靶基因表達(dá)的抑制作用遠(yuǎn)強(qiáng)于核心TE。與攜帶核心TE的基因相比，攜帶獨(dú)特TE的Ks更小、Ka/Ks更高且Pfam注釋率更低，這表明獨(dú)特TE對(duì)基因的高進(jìn)化速率和分化有影響。TE在石斛屬進(jìn)化過(guò)程中，推動(dòng)了基因組和基因的多樣性。

圖5：石斛屬TE研究

 

七、MADS-box與FT-like基因演化

      文章最后詳細(xì)探討了石斛屬M(fèi)ADS-box基因的分類(lèi)、功能及其在植物發(fā)育中的關(guān)鍵作用，特別是II型基因在花器官確定和開(kāi)花時(shí)間調(diào)控中的重要性。通過(guò)分析不同石斛物種中AGL12同源基因的功能與進(jìn)化，揭示了其在根系發(fā)育和適應(yīng)性進(jìn)化中的重要作用。此外，文章還深入研究了MADS-box基因簇的復(fù)制機(jī)制及其在石斛屬中的進(jìn)化歷程，特別是AP3-like基因的快速進(jìn)化和FT-like基因的擴(kuò)展，為理解蘭花獨(dú)特的花形態(tài)特征和適應(yīng)性進(jìn)化提供了重要見(jiàn)解。

圖6：石斛屬M(fèi)ADS-box與FT-like基因演化歷史

 

結(jié)語(yǔ)

      本研究通過(guò)17個(gè)石斛樣本的染色體級(jí)別基因組組裝，揭示了石斛屬系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和遺傳多樣性。文章發(fā)現(xiàn)石斛屬在從蘭科其他支系分化后保留了高度保守的基因和古老的遺傳信息，如核心基因和保守非編碼序列（CNS）。石斛屬北方和南方支系，分別具有獨(dú)特的分子特征，如北方支系中LTR-RT的特異性擴(kuò)展。此外，石斛屬通過(guò)基因家族擴(kuò)張和染色體重排適應(yīng)多樣生境，盡管石斛屬物種未經(jīng)歷特異的WGD事件，但近期TE的爆發(fā)顯著推動(dòng)了基因組進(jìn)化和多樣性。TE的活躍還促進(jìn)了新基因的產(chǎn)生和基因表達(dá)的分化，對(duì)石斛的生殖發(fā)育和生態(tài)成功至關(guān)重要。這些發(fā)現(xiàn)增進(jìn)了對(duì)蘭科生物學(xué)的理解，并突顯了TE在石斛屬基因組多樣性和功能進(jìn)化中的關(guān)鍵作用。

 

參考文獻(xiàn)

"Pangenome graphs and their applications in biodiversity gPangeneric genome analyses reveal the evolution and diversity of the orchid genus Dendrobium“ Nature Plants；https://doi.org/10.1038/s41477-024-01902-w

 

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