中国农科院蔬菜花卉所构建茄科种间泛基因组

发布时间：2024-12-25 来源：蔬菜分子设计育种创新团队

近日，中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队以茄科物种的46个高质量基因组为基础，构建了茄科跨物种泛基因组，探究了种间演化尺度下基因组的变化特征和机制，以及多拷贝基因的功能分化等，为茄科物种的比较进化研究和功能基因的挖掘与育种应用提供了重要依据。研究成果以“SolPGD: Solanaceae Pan-genomes Reveal Extensive Fractionation and Functional Innovation of Duplicated Genes”为题发表在《Plant Communications》。

茄科植物在农业上具有重要地位，包括番茄、辣椒、马铃薯、茄子、烟草等模式作物或重要经济作物，以及枸杞、菇娘果和人参果等孤儿作物，作物类型丰富，果实形态、代谢物和适应性等多样性强。近十年来，番茄等模式作物的研究取得了显著进展，但茄科其它物种如孤儿作物等的研究相对落后，育种潜力未被充分挖掘。建立茄科跨物种泛基因组，解析种间基因保留与丢失的规律，对利用模式作物的研究成果促进其他物种的研究具有重要意义。

该研究基于208个的茄科植物测序基因组中的46个高质量基因组（三代测序数据组装），根据严格的物种分化时间（不低于6百万年）和基因组完整性筛选，选定30个基因组用于泛基因组的构建和分析。这些基因组覆盖了茄科的主要种属，为跨物种比较分析奠定了基础。通过基因组共线性分析，共鉴定出43,395个共线性基因家族。提出了适合种间泛基因组的基因家族分类方式：高保留基因（>80%以上物种共有）、中保留基因（20%–80%物种共有）、低保留基因（<20%物种共有）。高保留基因具有更长的蛋白质序列、更高的功能保守性及表达水平，表明这些基因在茄科植物的基础生物学功能中的重要作用。研究发现，茄科物种间的基因丢失主要通过假基因化（53%）与基因转座（11%）等机制发生。其中，gypsy-ltr类型转座子（te）与假基因化相关，而helitron类型te与基因转座相关。<>

研究进一步以9个非茄科的二倍体基因组为参考，系统解析了茄科物种特有的全基因组古三倍化（T事件，发生于65百万年前），并精确鉴定了T事件产生的多拷贝基因。该基因集对于研究和追溯茄科植物关键功能基因的起源和分化具有重要价值。以花发育ABCDE基因模型为例，研究发现茄科A和E基因家族的所有基因起源于一个古老的串联复制事件（tandem duplication）产生的两个同源基因，并通过两次全基因组古三倍化事件（真双子叶植物共有的γ事件和茄科T事件）及其后续的基因丢失等扩展为10个同源基因。这些基因在茄科物种间高度保守。多个高保留基因在番茄、辣椒等模式作物以及枸杞、菇娘果等孤儿作物中具有相似的基因表达模式，表明其在不同物种中具有功能保守性。

为了更好的服务于本领域的研究人员，基于208个茄科基因组数据、种间和种内泛基因组数据，以及古多倍化T同源基因等，开发了功能丰富的茄科泛基因组数据库（SolPGD，http://www.bioinformaticslab.cn/SolPGD）。SolPGD支持茄科基因组数据和各类同源基因家族的多维度查询，以及孤儿作物与模式作物间基因功能相似性的比较查询，为推动茄科物种的科学研究与育种应用提供支持。