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金銀花基因組揭示動態花色中類胡蘿卜素代謝的分子機制

本研究首次報道了川續斷目植物——金銀花的染色體水平基因組,為分子育種提供了寶貴的遺傳資源,也為金銀花家族的進化提供了重要線索。通過基因組與轉錄組分析相結合,闡明了金銀花中動態花色的形成機制。

 

標題:The honeysuckle genome provides insight into the molecular mechanism of carotenoid metabolism underlying dynamic flower coloration

研究團隊:中國醫學科學院藥用植物研究所宋經元研究員、徐志超副研究員團隊、中國中醫科學院中藥研究所、美國愛荷華州立大學及比利時根特大學的相關研究人員

期刊:New Phytologist(IF:7.299)

 

研究背景

金銀花(Lonicera japonica)是忍冬科的代表種,具有很高的藥用價值,用于治療發燒、流感,同時具有抗病毒活性,如抗SARS、甲型流感病毒、H1N1等。金銀花具有動態的花色,單株花在發育過程中會逐漸從白色變成金色,具有很高的觀賞價值。目前有轉錄組集中研究金銀花藥物活性物質的生物合成,但是記錄花顏色變化的分子機制尚未揭示。有報道顯示類胡蘿卜素的變化導致金銀花花色變化,但其在金銀花顯色過程中的分子調控機制還不清楚。

 

主要研究內容

1.基因組組裝及注釋

通過Nanopore、Illumina和Hi-C測序相結合,獲得843.2Mb的金銀花基因組,雜合度1.27%,contig N50為2.1Mb,Scaffold N50為84.4Mb,共注釋3396個編碼基因,重復序列為58.21%。

 

2.金銀花系統發育和全基因組復制事件

基因家族收縮和擴張分析顯示,有3133個基因家族發生擴張,7397個基因家族發生收縮,擴張的基因家族在催化活性(GO:0003824)和代謝過程(GO:0008152)中得到富集。基于13種植物,169個單拷貝基因進行系統發育分析,發現金銀花與菊花、萵苣的親緣關系最為密切,與菊花分化時間為87Ma。

金銀花基因組與重建的祖先雙子葉植物核型(AEK)及葡萄基因組的比較,發現金銀花物種形成后發生了顯著的染色體重排和全基因組復制事件;與菊花、萵苣和咖啡的Ks分布分析顯示復制發生在其與菊科分離后約51Ma。

 

3.花發育不同階段類胡蘿卜素的積累

類胡蘿卜素濃度隨著花的成熟而先降低后急劇增加,特別是從銀色花SF到金色花GF花期,類胡蘿卜素濃度增加了三倍。UPLC檢測發現:葉黃素和β-胡蘿卜素是不同花發育階段的兩種主要化合物。通過加權基因共表達網絡分析(WGCNA)將不同花期樣品的13891個高表達基因(FPKM>10)分為15個模塊。模塊-性狀關系顯示221基因coral1模塊與類胡蘿卜素含量高度相關,且模塊‘coral1’和‘firebrick4’的所選基因在芳香化合物生物合成途徑和基因表達調控(GO:0019438和GO:0010468)中富集。

 

4.胡蘿卜素合成基因的進化與表達分析

基于已知的類胡蘿卜素生物合成通路進行金銀花中類胡蘿卜素生物合成基因的研究,研究發現PSY基因在金銀花中擴張成一個小的基因家族,LjPSY1和LjPSY3同源基因可能是金銀花WGD事件的產物。LjPSY1、LjPDS1和LjPDS3在SF-TWF期顯著高表達,將無色的植物烯轉化為紅色的番茄紅素。番茄紅素在LCYE和LCYB催化下逐步轉化為β-胡蘿卜素、葉黃素;NCED3基因家族在ABA生物合成中起著關鍵作用,導致產生TWF的枯萎過程。作者隨后通過qPCR驗證了表達量的準確性,說明了金銀花WGD事件對類胡蘿卜素生物合成存在影響。轉錄組和類胡蘿卜素含量分析進一步表明,β-胡蘿卜素積累在金銀花動態花色形成中起主要作用。

 

5.花色中類胡蘿卜素裂解雙加氧酶(CCD)的進化及功能鑒定

CCD家族通常催化類胡蘿卜素裂解。全基因組的分析鑒定出7個CCD基因,5個亞家族,其中LjCCD4 和 LjCCD1b表達量比較高。對LjCCD4 和 LjCCD1b進行功能驗證,將LjCCD4 和 LjCCD1b序列克隆到pET32a載體中,然后將表達載體導入大腸桿菌BL21(DE3),通過UPLC、GC-MS和LC-MS檢測發現LjCCD4 和 LjCCD1b表達蛋白可將β-胡蘿卜素、葉黃素和100-apo-β-胡蘿卜素轉化為無色和揮發性物質導致顏色發生變化。同時產物中含有植物-傳粉者相互作用中的揮發性信號。

 

 

研究意義

本研究首次報道了川續斷目植物——金銀花的染色體水平基因組,通過基因組與轉錄組分析相結合,闡明了金銀花中動態花色的形成機制,為分子育種提供了寶貴的遺傳資源,也為金銀花家族的進化提供了重要線索。

 

 

 

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