百迈客Nature,Genetics芥菜基因组文章解读

2016年09月11日讯 Nature Genetics 在线发表由浙江大学种质创新和分子育种检验实验室的张明方教授、杨景华老师与北京百迈客生物科技有限公司、中国农业部园艺植物生长发育与品质改良重点实验室、浙江园艺植物综合生物学省级实验室、中国农业科学院蔬菜和花卉研究所、北京蔬菜研究中心、西澳大利亚大学等合作研究的异源四倍体芥菜基因组，小编在此为大家深入的解读下这篇文章。

一、研究背景

异源四倍体芥菜（AABB）属于十字花科芸薹属，是重要经济作物，主要包括菜用和油用芥菜两大类群，种植范围较广，经济价值较大。菜用芥菜主要分布在中国等东亚国家和地区，油用芥菜主要分布在印度等南亚国家和地区。芥菜是"禹氏三角"中重要的一员，由白菜和黑芥杂交后加倍而来，至少发生了三次古多倍化事件，因此非常具有研究价值。但是由于其为异源多倍体，相关的全基因组测序工作一直很难开展。来自浙江大学、北京百迈客等单位的团队共同合作，利用最新的测序技术（PacBio+BioNano），成功的组装出高质量的芥菜基因组图谱，为进一步改良芥菜的农艺性状提供了基础，为多倍体物种遗传育种提供了新的方向。同时，也从多角度论证了芥菜A亚基因组起源问题，揭示了多倍体亚基因组间同源基因表达与选择机制。

二、研究方法

1、组装

基于文章设计，我们选取菜用芥菜的一个变种（榨菜），使用二代测序和三代测序相结合的方法进行初步组装，然后利用光学图谱进行校正，得到了一版高质量的芥菜基因组，其中contig N50 由 28Kb 提升到61Kb ，scaffold N50 由710k 提升到1.5Mb.基因组完整性达到85%。另外我们还利用二代测序技术组装了一版黑芥的基因组，基因组大小为591Mb，完整度为68%。

然后利用遗传图和光学图谱对A、B亚基因组进行区分，整体挂载效果非常好，A为91.48%，B为72.32%。利用光学图谱和遗传图谱对基因组进行区分，为其他多倍体物种基因组研究提供了参考。

2、基因组注释情况

在高质量的基因组的情况下，我们采用从头+同源+转录组结合的方法在芥菜基因组中获得了80050个编码蛋白的基因，其中有97.8%的基因可以注释到Nr库。另外黑芥基因组预测出来49826个编码蛋白的基因，其中94.7%可以注释到Nr。重复序列部分芥菜A基因组中重复序列比例为44.25%，B为52.37%。

三、研究结果

1、芥菜A亚基因组起源问题

芥菜的基因组是异源四倍体（AABB），在"禹氏三角"中由白菜（AA），黑芥（BB）杂交后加倍形成，在演化过程中变异类型非常丰富。问题是油用芥菜的AA和菜用芥菜的AA是来自同一个亚种，还是来自多个亚种呢，这个问题就是A亚基因组的起源问题。

我们对10个菜用的芥菜、7个油用的芥菜，5个甘蓝型油菜基因组、27个白菜基因组（多亚种）进行了重测序分析，并绘制中的进化树。从b图中可以看到芥菜全部聚在一起，没有出现分散的情况，说明芥菜中A的基因组是来源于同一个亚种，属于单系起源。

除了从群体的角度研究了芥菜亚基因组A起源问题，还从PCA聚类和Fixed SNP角度验正了单系起源的结论。

2、基因表达的dominance现象

由于芥菜基因组是异源四倍体，也就是说基因组中存在两套非常相似的亚基因组，那么在基因表达的过程中，位于两套亚基因组上的等位基因的表达模式是怎么样的呢，是一起表达，是相互抑制，还是一方占主导？

通过计算等位基因的表达量，发现在不同的时期，不同组织之间，发现存在dominance基因，存在dominance的基因经受的选择压力大于Neutral基因（不存在dominance现象，功能非常重要，纯化作用较强，不轻易突变），但是小于Subordinate基因（作用不重要，纯化作用较小，易丢失）。

3、油用芥菜和菜用芥菜的选择与分化

通过菜用和油用芥菜群体进行选择清除分析，发现dominance的基因被筛选出来的比例较高，同时结合转录组数据，这部分基因在油用和菜用两个群体中差异表达。同时通过上面的分析发现与硫苷，脂类代谢显著相关并且存在dominance的基因组，这些基因在油用菜用群体中有各自独特基因分型。

四、文章亮点

1. 多倍体复杂基因组解决方案：二代+三代+光学，组装出高质量复杂基因组；

2. 多个角度证据解决芥菜亚基因组A亚基因组单系起源/杂交起源争论：Asubgenome phylogenetic tree，PCA, polymprphism and fixed SNP；

3. 通过构建群体模型及贝叶斯方法评估多倍体芥菜形成时间上下限，为新多倍体物种形成时间估算提供新方法；

4. 从不同发育时期，不同组织，不同处理条件，不同进化时期多个角度系统分析异源多倍体dominance 现象；

5. 通过油用菜用群体选择角度识别vegetable- and oil- use B. juncea 分化选择区域，发现与硫苷，脂类代谢显著相关并且存在dominance的基因组，这些基因在油用菜用群体中有各自独特基因分型；

6. 首次找到dominance gene 与潜在农艺性状选择相关性的证据，为多倍体物种遗传育种提供了新的方向和基因候选材料。

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