NP精選丨本氏煙草T2T基因組解析著絲粒復雜結(jié)構(gòu)和演化
著絲粒是染色體上非常復雜但又具有特殊功能的區(qū)域，盡管功能保守，但相比較基因組其他區(qū)域，著絲粒有著更快的進化速率，在不同物種中表現(xiàn)出顯著的多樣性。由于著絲粒及其周圍存在大量重復序列，完整的著絲粒組裝一直存在巨大挑戰(zhàn)。本氏煙草的基因組于2012年首次測序，近年來雖有多次更新，但基因組仍然存在多個gap，其著絲粒和端粒序列也不完整。
近日，頂級學術期刊《Nature Plants》發(fā)表了北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院郭立團隊題為“The complete genome assembly of Nicotiana benthamiana reveals genetic and epigenetic landscape of centromeres”的研究論文，團隊利用最新的長讀長測序，首次完成了異源四倍體模式植物本氏煙草的完整T2T基因組組裝，標志著多倍體基因組T2T組裝的重大進展，同時提供了關于著絲粒遺傳和表觀遺傳修飾的深入見解，極大地豐富了對多倍體著絲粒多樣性和進化的認識。
一、T2T基因組組裝與評估
作者結(jié)合116.7 × PacBio HiFi測序、47.9 × ONT ultra-long測序、Hi-C測序和Bionano光學圖譜技術，完成了本氏煙草的完整T2T基因組（NB.T2T）組裝。總大小為2,849.3Mb，contig N50為146.41 Mb。
NB.T2T相較于之前的組裝版本有顯著改進，是首個多倍體煙草植物的完整基因組。與最近發(fā)布的NB.PCP和廣泛使用的NB.261版本相比，分別新增了50.47 Mb和144.42 Mb的染色體序列。
作者采用了多種策略評估NB.T2T組裝的準確性和完整性。使用Merqury評估了NB.T2T的質(zhì)量值（QV）為69.65，完整性值為99.14%，LAI為17.84，BUSCO評估達到了98.81%。最后，所有端粒均檢測到“AAACCCT”，亞端粒區(qū)域也檢測到181-bp衛(wèi)星重復序列。這些驗證表明NB.T2T是目前本氏煙草最高質(zhì)量參考基因組。
圖1：本氏煙草完整T2T基因組組裝和注釋
圖2：NB.T2T組裝質(zhì)量評估
二、著絲粒結(jié)構(gòu)和表觀遺傳解析
本研究通過CENH3的CHIP-seq數(shù)據(jù)定位在NB.T2T基因組中鑒定出19個著絲粒，長度介于0.30-5.04 Mb。染色體類型包含14個近端著絲粒、2個亞端著絲粒及3個亞中著絲粒。ONT/HiFi/Bionano多種數(shù)據(jù)驗證證實了著絲粒結(jié)構(gòu)的完整性。
根據(jù)重復元件組成，本氏煙草著絲?？梢苑殖扇悾盒l(wèi)星型（CEN04/08/16/17）具有高GC含量與衛(wèi)星串聯(lián)重復序列；Gypsy型（CEN06/07/11-13/15/19）以Ty3/Gypsy轉(zhuǎn)座子為主；而NUMTs型（CEN02）富集NUMT序列。而CEN01/05/10/14呈現(xiàn)雙CENH3峰，分別富集衛(wèi)星與轉(zhuǎn)座元件；CEN03/09/18則顯示了衛(wèi)星型和Gypsy型著絲粒的混合模式。這種結(jié)構(gòu)多樣性顯示本氏煙草著絲粒正處于快速進化階段，為研究著絲粒演化機制提供重要模型。
茄科植物著絲粒以Ty3/Gypsy轉(zhuǎn)座子為主，但本氏煙草兼具衛(wèi)星型與Gypsy型特征。衛(wèi)星重復序列與45S/5S rDNA同源，暗示其可能通過rDNA演化而來。
75個Gypsy亞家族嵌入衛(wèi)星陣列，Galadriel（65%）在50-300萬年間經(jīng)歷三次爆發(fā)性插入。衛(wèi)星型與Gypsy型著絲粒分別富集CRM/Galadriel和Ogre/Tekay元件，驅(qū)動了四倍體分化。
另外發(fā)現(xiàn)線粒體DNA（NUMTs）在近著絲粒區(qū)域顯著富集，且B亞基因組顯著富含更多NUMTs，暗示B亞基因組可能為母本來源。CEN02中NUMTs直接承擔CENH3著絲粒功能，揭示了mtDNA的插入可形成功能性著絲粒。這些結(jié)果表明，NUMTs在著絲粒結(jié)構(gòu)的多樣化和塑造中發(fā)揮了重要作用。
本氏煙草著絲粒區(qū)域的組蛋白主要包含H3K4me3和H3K9me2修飾，缺失H3K27me3，而H3K4me3在著絲粒衛(wèi)星序列上富集。NUMTs和LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子未顯示出明顯的組蛋白修飾富集。組蛋白ChIP-seq分析表明，H3K4me3、H3K9me2和H3K27me3在著絲粒NUMTs上均無富集峰，表現(xiàn)出與著絲粒衛(wèi)星序列不同的表觀遺傳模式。這些發(fā)現(xiàn)揭示了本氏煙草著絲粒的獨特表觀遺傳調(diào)控機制。
圖3：本氏煙草著絲粒遺傳和表觀遺傳特征
圖4：衛(wèi)星序列驅(qū)動了本氏煙草新著絲粒形成
三、亞基因組和演化歷史解析
本氏煙草亞基因組來源一直存在爭議。作者使用多種研究方法，最終的研究結(jié)果支持A亞基因組與N. sylvestris聚類，而B亞基因組與N. glauca和N. attenuata為姐妹群。兩個亞基因組與N. sylvestris和N. attenuata之間也顯示了顯著的共線性。
基于亞基因組分析結(jié)果及先前研究，作者總結(jié)了本氏煙草基因組演化歷史。煙草屬和茄屬曾經(jīng)歷全基因組三倍化（WGT）事件，后于23–44百萬年前分化。本氏煙草的兩個亞基因組分型顯示，其父系和母系祖先分別與N. sylvestris和N. attenuata近緣，對應Sylvestres分支和Noctiflorae/Petunioides分支。兩分支分化時間約為6–10百萬年前。5–6百萬年前，一次雜交事件形成Suaveolentes組。隨后，異源多倍體經(jīng)歷亞基因組間廣泛重排，最終通過染色體數(shù)目減少、基因組縮小等著絲粒變化，形成現(xiàn)今本氏煙草。
圖5：本氏煙草亞基因組溯源
圖6：本氏煙草基因組演化歷史
結(jié)語
作者利用最新的長讀長測序技術，首次完成了異源四倍體模式植物本氏煙草的全基因組組裝，分析揭示了本氏煙草的進化歷史，并深入探索了著絲粒的遺傳和表觀遺傳信息，完整的基因組組裝和注釋為將本氏煙草作為植物生物學和生物技術中的模式生物提供了寶貴的資源，將進一步推動其應用。
參考文獻
Chen, W., Yan, M., Chen, S. et al. The complete genome assembly of Nicotiana benthamiana reveals the genetic and epigenetic landscape of centromeres. Nat. Plants 10, 1928–1943 (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-024-01849-y
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