周惠娟博士在黑胡桃基因组学和抗病及油脂代谢基因研究方面取得新进展

　　       近日，陕西省科学院西安植物园新引进的“秦岭百人”青年拔尖人才周惠娟博士以第一作者身份在植物学和园艺学国际知名学术期刊《Horticulture Research》（IF=7.29，中科院一区top）在线发表了题为“Pan-genome and transcriptome analyses provide insights into genomic variation and differential gene expression profiles related to disease resistance and fatty acid biosynthesis in eastern black walnut（Juglans nigra）”的研究论文。

　　黑胡桃（Juglans nigra，2n=32）隶属于胡桃科胡桃属，为重要的木本经济树种。黑胡桃也称为东部黑胡桃（eastern black walnut, EBW），其木材质量高可作为优质家具等工业材料，果实油脂蛋白含量高且营养丰富，该树种也作为栽培核桃（Juglans regia）砧木的重要资源。该课题组基于前期研究基础，利用二代测序、三代测序、Hi-C测序、不同组织三代全转录组学及二代转录组学测序组装提升并得到了黑胡桃的高质量染色体水平基因组：全基因组大小为540.8 Mb，共注释得到29,506个蛋白质编码基因，scaffold N50值为35.1 Mb，99.0%挂载到了16条染色体上。课题组基于组装注释的高质量染色体水平黑胡桃基因组为参考，通过对黑胡桃组（Section Rhysocaryon）植物74个个体进行重测序，动态历史分析揭示了黑胡桃有效种群大小在气候冰期间迅速减少。比较基因组学发现了黑胡桃、小果胡桃（Juglans microcarpa）和核桃三个染色体水平基因组之间的共线区较高，但三个基因组之间存在600 kb以上的遗传变异倒置区域。与小果胡桃和核桃基因组相比，黑胡桃基因组中插入缺失（InDels）总片段大小分别为18.3 Mb和34.9 Mb。注释结果表明了这些差异基因主要包含五三肽重复序列（PPR）、脂肪酸去饱和酶（FAD）和富含亮氨酸重复序列（LRR）基因家族。

　　 图1 黑胡桃染色体水平基因组特征及重测序分析

　　该研究进一步通过对黑胡桃开花后（days after flowering, DAF）果实三个发育时期（DAF80、DAF111和DAF140）的果皮、内果皮（果壳）和胚三个生物学重复进行了转录组学测序，发现了黑胡桃三个时期在油脂代谢通路中的差异基因表达水平（differential expressed genes，DEGs），揭示了油脂合成代谢通路中FAD（FATTY ACID DESATURASE）和OLE（OLEOSIN）扮演着重要角色。　

　　研究者还以黑胡桃和核桃染色体水平基因组为参考，分别鉴定了两个物种基因组中的抗病相关NBS-LRR基因家族，两者数量存在差异。发现了黑胡桃和核桃NBS-LRR基因在第3、4、6、7、11、15号染色体上共线性高；核桃第3、4、6、7号染色体共线性区域NBS-LRR基因成簇存在，而黑胡桃NBS-LRR基因整体呈现均匀分布在16条染色体上，成簇现象不明显。同源序列表达模式发现了黑胡桃JnNBS-LRR121、JnNBS-LRR122、JnNBS-LRR126、JnNBS-LRR222和JnNBS-LRR157这5个基因在抗病果实中的不同处理下表达水平均上调，而与黑胡桃同源的5个核桃NBS-LRR基因簇在抗病果实中表达水平并没有上调，说明了NBS-LRR基因在两个物种果的抗病方面的表达水平有差异。

　　　　图2 黑胡桃和核桃抗病相关基因NBS-LRR基因比较和表达模式

　　　　 　　该研究组以黑胡桃为主要研究对象，对黑胡桃进行了高质量染色体水平基因组组装注释，揭示了黑胡桃物种群体动态历史，通过泛基因组学发现了黑胡桃基因组层面遗传变异，并分析了抗病相关基因家族NBS-LRR演化和表达模式，阐明了黑胡桃油脂合成代谢通路差异表达基因，为黑胡桃基因组学和分子育种提供了重要基础数据。

　　原文链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhad015