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2022/09/18阅读:15主题:萌绿

【动植物研究动态】20220918文献解读

International Journal of Molecular Sciences(IF=6.208)| 中科院植物研究所孙小芹:“常香粳1813“染色体水平基因组揭示香粳和非香粳稻间的基因组变异

Chromosome-Level Genome Assembly of a Fragrant Japonica Rice Cultivar ‘Changxianggeng 1813’ Provides Insights into Genomic Variations between Fragrant and Non-Fragrant Japonica Rice

使用Nanopore、Illumina和Hi-C测序数据的组合,提供了一个新的香稻品种“常香粳1813”的高质量参考基因组序列,这是芳香粳稻的第一次从头染色体水平基因组组装。此外,还基于该注释的基因组序列,证明了badh2-E2型缺失导致了该粳稻品种的香味。最后,还对“常香粳1813”和非香粳稻日本晴的基因组进行比较以鉴定基因组变异。毫无疑问,这些基因组资源将促进水稻的基因和基因组研究,并有利于香粳稻的品种改良。

点评:在水稻如此内卷的情况下,一个基因组能发就不错了。

Plant Com| 华中农业大学张椿雨:十字花科诸葛菜(二月兰)高质量基因组公布

Genome Assembly of the Brassicaceae Diploid Orychophragmus violaceus Reveals Complex Whole Genome Duplication and Evolution of Dihydroxy Fatty Acid Metabolism

由于多聚内交酯的特殊结构,诸葛菜籽油在高温下具有优异的润滑特性。另外,在进化分支上看,诸葛菜、板蓝根及芸薹属植物同属十字花科谱系II,但其基因组并未像芸苔属一样经历了三倍化(WGT),而是经历了基因组加倍(WGD)。

诸葛菜染色体组级别的基因组组装揭示了其基因组不同于芸薹属近缘物种的进化历程,结合转录组分析和功能注释,提出了诸葛菜种子中双羟基脂肪酸合成背后的候选基因家族成员及其可能的进化方式。该研究也为未来通过基因工程改造和利用诸葛菜基因作为基因资源,开发特殊脂肪酸的工业利用提供了参考。

点评:PC差点意思。核型分析没做过(应该是通过实验吧?),候选基因怎么找出来的?

Plant Com背靠背 | 中国农科院蔬菜所:二月兰基因组的古多倍化演化和重要性状遗传基础

The genome of Orychophragmus violaceus provides genomic insights into the evolution of Brassicaceae polyploidization and its distinct traits

本研究组装了高质量的二月兰基因组。通过基因组进化分析,明确了二月兰经历了一次特异的古异源四倍化事件,存在亚基因组优势现象,证明了二月兰的古四倍化事件与白菜等十字花科蔬菜作物的古六倍化事件相互独立。通过对油脂和开花等性状的基因组学和转录组学分析,探究了二月兰重要性状的形成机制。这些研究结果丰富了我们对十字花科古多倍化演化的认知,为二月兰的功能基因组学研究提供了重要资源。

点评:与上背靠背,商量好来着。

Science | 法国图卢兹第三大学:驴的驯化史与全球扩张

The genomic history and global expansion of domestic donkeys

本研究解决了长期以来关于驴驯化的争论。研究支持从公元前5000年的独特非洲来源开始驯化。驴随后从约公元前2500年开始扩散到欧亚大陆,中亚和东亚亚群在约公元前2000年至1000年分化。现代西欧特有的遗传亲缘关系早在公元前500年就形成了。早期驯化后,非洲驴在西部和非洲之角加上肯尼亚进一步分化,但也从西欧以及包括黎凡特、安纳托利亚和美索不达米亚在内的地区获得了遗传祖先。驴的驯化涉及有限但可检测的野生渗入。与马相比,这并不意味着近年来的膨胀近亲繁殖。驴和马的驯化过程差异很大,因为马被驯化了两次,并从公元前2000年的下顿河-伏尔加河地区迅速传播到欧亚大陆。由于早期大陆距离的强大连通性,以及在过去1000年中东方血统在全世界传播之前,它们的区域分化仍然相对有限。驴和马的不同驯化轨迹在多大程度上只是由它们各自在人类社会中的角色驱动的,或者反映了适应它们各自交配和社会行为的管理实践,还有待探索。

点评:材料的稀有,起源驯化分析方法Treemix与SMC++。

Genome Biology | 中麻所/扬州大学刘头明:大蒜种群进化历史

Genomic insights into the evolutionary history and diversification of bulb traits in garlic

该研究首先对230份大蒜种质和3份近缘种韭葱种质进行GBS测序和群体结构分析发现,发现大蒜种质可分为4个类群,其中两个类群分别为中国主栽的四六瓣蒜组(CG1)和多瓣蒜组(CG2)。另有一个类群OG,其亲缘关系更接近韭葱,且主要来源于地中海、中西亚等大蒜起源地,推测OG基因组更接近大蒜野生种。对35份CG1种质,39份CG2种质和10份OG种质开展全基因组重测序,共鉴定到129.4 Mb变异。全基因组固定指数(FST)分析发现三组大蒜间基因组分化明显,其中OG和CG2的FST达到0.474(水稻籼粳亚种间的FST为0.55),推测CG1和CG2组群基因组已高度分化。

进一步分析OG,CG1和CG2的有效群体大小,发现三个大蒜组群在50万年前就已开始分化。此后,三个组群的群体大小呈现差异的变化趋势,诸如CG1在1.5万年出现种群瓶颈,而CG2在4万年前发生种群扩张,紧接着种群持续减少,在~7000年时达到一个瓶颈期。由于人类仅有约一万年的作物驯化历史,考古发现最早在公元前2600年才有大蒜相关记载。据此,研究人员推测CG1和CG2在驯化之前就已发生分化,即CG1和CG2为独立驯化。研究人员通过D-statistic分析发现三个种群间并无基因流,驯化选择信号分析发现CG1和CG2间共有的选择基因仅有105个(0.18%),该比例甚至低于两个独立驯化的甜瓜种meloagrestis

对三个组群中共81份种质进行RNA-seq。香农指数(Shannon-Wiener index)分析发现大蒜基因在三个组群间的表达多样性呈现明显差异。相较于OG,CG1中15.0%大蒜基因丢失了表达或新出现表达或呈现差异表达,而CG2中有17.5%大蒜基因发生了表达进化。并且,研究人员发现CG1和CG2组群的基因表达进化是异向的,导致16.3%的大蒜基因在这两个栽培组群间存在表达差异。

大蒜不育,一般通过鳞芽进行无性繁殖,易导致有害突变积累。分析84个重测序种质之间的有害突变,并两两比较他们之间的有害突变重复率,发现个体间有害突变重复率变异幅度很大(2%-35%),但三组之间个体的有害突变重复率均很小(<9%),推测各大蒜组群有害突变是单独积累形成的。研究人员也比较了驯化选择区间和非选择区间的有害突变,发现CG1和CG2受选择区域内的有害突变率仅为非选择区域的1.57%和1.34%,推测驯化选择有效清除了大蒜的有害突变负荷。

鳞芽数和鳞芽重量决定了大蒜鳞茎产量,它们在三个组群间存在显著差异。例如,CG1为四六瓣蒜,其鳞芽数显著低于OG和CG2类群。研究人员结合关联转录组分析、全基因组关联分析和单倍型分析等证据,鉴定到一个TB1同源的Asa2G00245.1和一个AXR同源的Asa2G00503.1为鳞芽数性状候选基因,并发现它们在CG1组群中受到强烈选择。推测它们的选择与CG1种质鳞芽数少相关。此外,该团队还开展了鳞芽膨大前后的鳞茎部位转录组分析,发现4658个大蒜基因在鳞茎膨大期发生了表达变化。进一步的关联转录组和单倍型分析证据显示,差异表达的Asa6G06199.1Flowering locus T 同源基因),DELLA基因Asa2G00237.1和GA20氧化酶基因 Asa4G02474.1可能为鳞茎重量性状候选基因。有意思的是,研究人员发现这些鳞芽性状候选基因要么仅在CG1中受到选择,要么仅在CG2中具有选择信号,推测鳞芽性状在两个组群间的进化选择是独立进行的。

综上所述,该研究发现中国主栽的两个大蒜类群四六瓣蒜组和多瓣蒜组在数十万年前出现分化,并独立驯化。因大蒜为营养体繁殖作物,组群间没有基因交流,导致各组群有害突变单独积累。独立驯化亦导致两大蒜组群间的基因组分化明显,转录组结构实现重塑。

点评:1.生信典范文章,很多地方值得学习,如起源驯化、RNA-seq的表达多样性、有害突变负荷(有点类似肿瘤信息学里的TMB了)等;2.能看出该项目做了很多事情,边做边设计,周期应该较长;3.麻类所的刘头明老师近年来也是GB的常客了,加入扬大有利发展。

Cell Research| 湖南农业大学叶能辉:克隆首个水稻温敏雌性不育基因tfs1

A spontaneous thermo-sensitive female sterility mutation in rice enables fully mechanized hybrid breeding

目前的三系或两系杂交育种系统由于恢复系必须为杂交提供足够的花粉,因此需要在雄性不育系附近生长。为了避免自种种子污染杂交种子,在机械收获杂交种子之前,需要人工将自种种子从恢复系中去除,从而阻碍了农业实践中的全面机械化。从理论上讲,温敏雌性不育系是理想的恢复系,可作为雄性不育系的花粉供体以产生杂交种子。

该研究报告了编码AGO7 的TFS1基因中的一个独特的自发热敏雌性不育突变,并阐明了该突变如何响应温度以控制雌性不育-生育转换,而不会导致营养或雄性生殖发育的任何缺陷。田间试验进一步证实,tfs1显示出适合杂交水稻制种系统的雌性不育性状,赋予杂交育种全机械化。

点评:棒!拭目以待。

New Phytologist | 海南大学万迎朗&浙江大学张亮生:揭示槟榔花性别调控分子机制

The genome of Areca catechu provides insights into sex determination of monoecious plants

热带的棕榈科植物椰子和槟榔的花序比较特殊,它们具有雌雄同序的佛焰花序,雄花位于花序顶端,雌花位于基部。它们的雄花早于雌花开放,通过开花时间的间隔避免了自花授粉。

该研究首先重头组装了槟榔全基因组,然后利用染色质开放性测序(ATAC-seq)和转录组等多组学技术,揭示了槟榔通过表观遗传调节JA合成来调控两性花生成,主要通过调控花发育的ABC模型中的B类转录因子的表达来决定槟榔雌雄花的性别。

点评:亮哥专长。

Hortic Res | 西北农林科技大学:红星苹果高质量基因组并解析其着色型芽变体细胞变异特征与机制

Multi-omics analyses reveal MdMYB10 hypermethylation being responsible for a bud sport of apple fruit color

芽变通常可以产生具有经济价值的新性状,同时保留母株的优良性状。芽变选种成为苹果、柑橘等重要果树品种遗传改良的重要途径。芽变通常是由芽分生组织发生的体细胞变异引起。在植物发育过程中,体细胞变异的不断积累可能影响了芽变的发生。

本研究利用基因组测序技术对‘俄矮2号’的基因组进行了从头组装,获得了高质量基因组,BUSCO评估完整度为97.1%。基于该基因组,作者对‘俄矮2号’分枝发育过程中的体细胞变异进行了分析,评估其体细胞突变率为4.56×10⁻⁸每年每碱基,进一步分析确认了芽变枝与原始枝之间存在253个SNP、118个InDel及1个SV)。同时,本研究利用转录组测序技术分析挖掘花青素合成相关的共表达模块,确认MdMYB10是其关键的转录因子之一。此外,本研究利用全基因组甲基化测序技术分析发现5个花青素合成相关基因的启动子区域存在甲基化修饰差异,其中芽变果皮MdMYB10启动子区域的CHG类型甲基化修饰水平在各发育期均显著低于对照。

为探究全基因组水平体细胞变异(遗传变异和表观遗传变异)的影响,本研究对多个关键的体细胞变异进行深入分析。推测其遗传变异可能发挥潜在影响,而表观遗传变异通过影响花青素合成基因的转录导致芽变材料与对照之间总花青素含量存在差异。基于以上结果,确认植物发育过程中存在遗传变异和表观遗传变异的积累,多组学分析确认MdMYB10启动子区域的超甲基化是该芽变产生的一个重要因素。

点评:没有这方面的背景很难搞。

Biotech for Bio | 华中农业大学章元明:构建大豆种子油分相关性状、代谢物/脂质等的多维遗传网络

4D genetic networks reveal the genetic basis of metabolites and seed oil-related traits in 398 soybean RILs

利用398个大豆重组自交系群体6个种子油脂相关性状、59个代谢物和107个脂质,利用现代统计学方法,发现了463个代谢物-脂质、62个性状-代谢物和89个性状-脂质的显著关联。通过连锁分析,鉴定到与大豆种子油分性状相关的175个QTLs,36个QTL⨯环境互作(QEIs)和302个代谢物相关QTL簇,以及与油分相关性状和代谢物/脂质分别显著关联的70和181个候选基因,20和58个候选miRNA。

利用候选基因和miRNA间的共表达相关性、蛋白质-蛋白质互作及转录因子结合位点和miRNA靶位点的预测,构建了一个基因调控网络。将上述所有遗传关系整入上述基因调控网络,构建了一个大豆种子油分相关性状、代谢物/脂质、基因和miRNA的多维遗传网络(multi-dimensional genetic network,MDGN)。

点评:基因调控网络和多维遗传网络构建说难也难,说简单也简单。反正没什么实际意义,能自圆其说就好。

The Plant Journal | 广州中医药大学:解析知名南药阳春砂基因组并揭示其药效萜类合成机制

Chromosome-level genome assembly and functional characterization of terpene synthases provide new insights into the volatile terpenoid biosynthesis of Wurfbainia villosa

该研究利用Nanopore, Illumina NovaSeq和Hi-C技术开展了阳春砂的全基因组序列测定,组装得到基因组大小为2,799.20 Mb(Contig N50为9.13 Mb),组装完整率97.9%,共注释得到42,588个基因。进一步联合基因组、转录组、代谢组和体外酶功能鉴定,对阳春砂主要萜类合酶基因进行研究,发现大部分萜类合酶具有多产物且在种子团中高表达,解析了其种子团中富含挥发性萜类的分子机制。该研究为深入开展生物活性次生代谢产物的分子育种提供了理论依据。

点评:首个阳春砂基因组;药用植物。

PBJ | 中国中医科学院中药资源中心&中科院北京基因组研究所:构建迄今为止物种数量最多的叶绿体基因组综合数据库

Towards comprehensive integration and curation of chloroplast genomes

尽管已发布了海量的植物叶绿体基因组序列,然而如何整合应用这些数据目前面临着诸多问题:(1)不同上传者对上传序列物种、基因的命名规则缺乏统一标准; (2)许多已发布叶绿体基因组未被现有叶绿体基因组数据库收录;(3)一些已知的具有较高经济价值的物种尚未进行测序。

本研究系统地进行了叶绿体基因组数据人工审编与分子标记开发,构建了叶绿体基因组综合数据库Chloroplast Genome Information Resource (CGIR, https://ngdc.cncb.ac.cn/cgir)。该数据库收录了来自11,946个物种的19,388条叶绿体基因组,数据整合了已发布的叶绿体基因组数据和利用全国第四次中药资源普查标本自测的718种未发表的叶绿体基因组,为迄今为止物种数量最多的叶绿体基因组数据库。为便于数据的共享应用,CGIR数据库包含了基因组(Genomes)、基因(Genes)、微卫星序列(SSRs)、DNA条形码(Barcodes), DNA特征序列(DSSs)五个模块。

点评:非常大的工作量!单纯好奇:这么多物种的叶绿体基因组测序组装了?

New Phytologist |中科院植物所贺超英:发现大豆百粒重新的驯化基因及其优异等位变异演化模式

An enhancing effect attributed to a nonsynonymous mutation in SOYBEAN SEED SIZE 1, a SPINDLY-like gene, is exploited in soybean domestication and improvement

通过分析大豆百粒重增大突变体sss1,发现候选基因GmSSS1位于19号染色体一个已知的大豆百粒重数量性状位点区域。研究表明GmSSS1编码SPY直系同源蛋白,基因编辑使其功能丧失后导致大豆百粒重减小,过表达该基因使百粒重增加,而过表达Gmsss1则使百粒重进一步增加,但其它农艺性状变化不大。进一步分析表明,相对于GmSSS1,突变基因Gmsss1编码蛋白的第182位氨基酸发生了由E(谷氨酸)到Q(谷氨酰胺)的替换,这一氨基酸的非同义替换显著增强了GmSSS1对大豆百粒重的增大作用,增产效果明显。通过大豆核心种质群体的进化分析,发现GmSSS1单倍型在野生和栽培大豆种质中都经历了多样化过程,而Gmsss1单倍型也存在于大豆种质中,且编码含182-Q型的优异等位变异起源于黄河中下游地区,在大豆驯化改良过程中被选择并显著扩张。

点评:典型基因克隆与群体单倍型分析。

Mol Plant | 徐云碧博士领衔倡导大数据和人工智能驱动下的智能育种新策略

Smart breeding driven by big data, artificial intelligence and genomic-enviromic prediction

把基于基因组预测的常规基因组育种,拓展到同时基于基因组和环境组进行集成预测(integrated genomic-enviromic prediction, iGEP)的智能育种。由于多组学和时空组学信息的引入,形成了与植物育种相关的大数据,必须借助于人工智能进行数据分析、处理和预测,而大数据的获取等许多过程需要智能机器人的参与。基因组环境组集成预测(iGEP)新策略的提出,彻底改变了过去主要利用基因型和表型进行选择的育种模式,使未来育种能够在基因型(G)-表型(P)-环境型(E)全方位信息支撑下,准确预测特定基因型在特定环境下的表现,实现真正意义上的定向育种、适应气候变化的育种、适应特定环境的育种,从而帮助人类应对气候变化,开展高效育种和选择,培育高产优质多抗新品种,保障人类食物安全。

点评:基本上是徐老师之前研究和观点的汇总与延伸,大佬的理论一套一套的。应该是MP目前最长的Perspective了。

Plant Com | 厦门大学欧阳鑫昊:解析夏季作物(水稻和玉米)纬度广适应性形成机制

Gradual Daylength Sensing Coupled with Optimum Cropping Modes Enhanced Multi-Latitude Adaptation of Rice and Maize

本文共同作者汕优63的选育者谢华安院士曾指出超级稻培育的“四性”:丰产性、抗性、优质性和广适应性。目前,育种家更多集中在对前“三性”的选择和改良。早期育种家主要通过感光性来选择纬度广适应性品种,但是由于受到地理因素的制约,很难在育种中形成统一的筛选标准,从而导致大量优质新品种仅仅表现为局部适应性,限制了其在全国范围的大面积推广。本研究中,研究人员提出了渐变日长识别方式可以作为纬度广适应性选择的一个潜在靶标,为作物的纬度广适应性育种提供了全新的理论指导。同时,对于不具备纬度广适应性的现有优良品种,研究人员也提出可以利用耕作制度优化来增强这些品种的纬度适应性。

点评:跨物种研究也是一个新方向,比如今年Science发表的水稻、玉米基因趋同进化。

Hortic Res | 中科院华南植物园:菠萝蜜高质量基因组揭示其果实演化机制和引种驯化历史

Jackfruit genome and population genomics provide insights into fruit evolution and domestication history in China

通过结合PacBio三代测序、二代测序和菠萝蜜F1代高密度遗传连锁图谱,破译了染色体水平的菠萝蜜基因组。通过广泛采集我国菠萝蜜的地方品种,同时收集亚洲主产国(孟加拉、泰国、马来西亚、印度尼西亚)的菠萝蜜种质,在全基因组水平解析了295份菠萝蜜种质的系统发育、群体遗传结构、遗传多样性和基因渐渗,重建了菠萝蜜在中国的引种栽培历史,重点阐明了菠萝蜜传入中国的途径,即中国的菠萝蜜至少来源于两条独立的途径,一是来源于南亚地区(孟加拉),一是来源于东南亚地区(泰国、马来西亚和印度尼西亚等)。中国菠萝蜜的传入和传播,可能与古代丝绸之路、佛教文化的交流有着悠久深厚的渊源。

通过比较菠萝蜜(大果实)和其近缘姊妹种尖蜜拉(小果实,又称小菠萝蜜)种间的基因组分化,分析了这两个近缘物种群体基因组的选择信号,发现胼胝质合酶复合体的主要构成基因受到显著的选择压力,可能在菠萝蜜的果实大小进化中发挥了重要作用。通过选择性清除分析菠萝蜜干苞和湿苞类型的群体遗传变异,发现干苞菠萝蜜基因组的24号染色体500 kb区域具有显著的受选择信号,并在该区域确定了2个聚半乳糖醛酸酶基因受到强烈的选择压力,其中AhePG1 基因表达与果实软化呈显著正相关,可能是菠萝蜜果胶降解的主效基因,因此推测多聚半乳糖醛酸酶可能通过控制果胶的降解,进而导致了菠萝蜜果实的质地差异。该研究结果对于菠萝蜜的栽培驯化、遗传育种及种质资源保护和发掘利用具有重要意义。

点评:没表型,能发HR也不错了。别问传播,一问就是丝绸之路。

Plant Com | 中科院昆明植物所:揭示假基因的不同进化模式对芸苔属亚种蔓菁和白菜风味差异的影响

Differences in pseudogene evolution contributed to the contrasting flavors of turnip and Chiifu, two Brassica rapa subspecies

相比于其他芸苔属AA基因组蔬菜,蔓菁具有较强辛辣味,而芸苔属蔬菜的风味差异主要受自身产生的芥子油苷及其水解产物的含量和类型决定。

通过对青藏高原的蔓菁进行全基因组测序以及与已经发表的芸苔属二倍体近缘种进行比较基因组学及假基因的进化模式分析、脂肪族芥子油苷代谢分析和基因功能分析,揭示脂肪族芥子油苷代谢通路中假基因的不同进化模式对芸苔属亚种蔓菁和白菜风味差异的影响,为芸苔属作物的育种提供指导作用。

点评:不错的研究,还做了实验验证。假基因鉴定与进化模式,可参考。

Genome Biology|丹麦奥胡斯大学和美国康奈尔大学:建立跨物种机器学习预测方法PICNC,助力作物遗传育种

Prediction of evolutionary constraint by genomic annotations improves functional prioritization of genomic variants in maize

在数量遗传学中,候选因果突变一般可通过种内的遗传多态性和表型差异之间的统计关联(即QTL效应)来检测。尽管QTL 效应在植物育种中很有用,但它们容易与连锁不平衡(LD)混淆。系统发育核苷酸保守性PNC(phylogenetic nucleotide conservation),可通过物种间DNA碱基的保守性来检测候选因果突变。尽管PNC受LD的影响较小,但PNC在实际操作中的缺陷限制了其在数量遗传学中的应用:(1)它使用的多序列比对(MSA)需要可比对的基因组区域在物种间具有保守性;(2)它缺乏有效区分候选因果突变的能力;(3)它可能因功能转换和进化枝的特异性保护而产生偏差。虽然利用基因组注释可辅助PNC在整个基因组中的预测,如CADD和LINSIGHT方法;然而,特定基因组的注释依赖于大规模的实验数据,目前在植物中仍严重缺乏。

该研究建立了跨物种的机器学习方法PICNC(Prediction of mutation Impact by Calibrated Nucleotide Conservation)来预测玉米(Zea mays L.)编码区的PNC,并证实该方法的预测结果与实验数据高度一致,可用于识别玉米中相关农艺性状的候选基因及其SNP

该研究中使用的PICNC模型和玉米蛋白质基因SNP预测的核苷酸保守性数据已在CyVerse中公开 (https://doi.org/10.25739/hybz-2957)。

点评:没细看不懂,有需要时再来看。GB是每个生信人都需要关注的杂志。

Nature Plants封面 | 中国农科院基因组所闫建斌:铁线蕨基因组揭示真叶植物起源和茉莉素进化等的分子机制

The genome of homosporous maidenhair fern sheds light on the euphyllophyte evolution and defences

该研究首次绘制了染色体级别的铁线蕨基因组,为蕨类植物孢子发育、真叶植物起源和种子演化、茉莉素信号通路进化等提供了新见解。

点评:厉害,NP最喜欢这种比较与进化基因组研究。

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