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海南大学热带作物学院罗杰教授团队与合作者基于椰子高质量基因组解密发生在400万年前的“绿色革命”

时间: 2021年11月07日 17:00 来源: 宣传部 点击:[]

本站讯(记者 李天畅)11月4日,海南大学热带作物学院罗杰教授团队联合中国热带农业科学院椰子研究所,在国际学术期刊《Genome Biology》上发表题为“High-quality reference genome sequences of two coconut cultivars provide insights into evolution of monocot chromosomes and differentiation of fiber content and plant height”的研究论文。海南大学教授王守创、海南大学博士研究生郭昊等人为该论文的共同第一作者,海南大学教授罗杰等人为该论文的共同通讯作者。

该研究绘制了高、矮种椰子高质量参考基因组,推断出从单子叶植物古染色体到现代椰子染色体形成的进化过程;解析了高、矮种椰子在株高、纤维含量等关键性状差异的遗传基础,并发现GA20ox的自然变异可能是决定高、矮种椰子株高差异的关键因素,解密了发生在约400万年前的椰子“绿色革命”,鉴定了控制高矮种椰子株高差异的关键基因,这一研究具有一定的应用价值。

研究者基于Nanopore、Hi-C和Illumina等测序数据组装并注释了高、矮种椰子染色体水平的参考基因组(两种椰子基因组大小分别为2.39 Gb和2.40 Gb)。通过椰子基因组与睡莲及油棕等的比较分析,揭示椰子发生过两次全基因组加倍事件,其中一次为棕榈科特有。椰子与同为棕榈科的油棕在约2700万年前发生分化,高、矮种椰子在约400万年前发生分化。通过高质量椰子基因组与紫萍、菠萝等单子叶植物基因组的比较分析,基于以端粒为中心的染色体重构理论和模型,重建了含有10条染色体的单子叶植物祖先细胞核型,比先前报道的5条或7条染色体核型具有更强的证据支持,并基于该核型进一步推断出椰子基因组16条染色体的演化过程。上述研究结果有助于深刻认识单子叶植物核型变化乃至被子植物的进化历程。研究者鉴定了高、矮种椰子基因组SNPs/InDels、PAV/SV,并推测了这些变异在决定高、矮种在生长发育、耐盐性、纤维含量、脂质含量等方面差异的可能作用。进一步利用全基因组关联分析结合生化、分子、生理学手段,揭示在椰子中位于12号染色体的GA20ox的自然变异是决定高、矮种椰子株高差异的关键因素。该结果表明椰子在约400万年前的亚种分化过程中,发生了与玉米、水稻等作物半矮化育种过程类似的“绿色革命”。

图1. 椰子基因组组装和基因组特征。a 椰子基因组circos图;b椰子和睡莲基因组之间的基因组共线分析;c 同源基因Ks值的密度分布;d 椰子与其他15种被子植物的系统发育树;e 椰子和其他三个棕榈物种中的同源和旁同源基因家族。

图2. 单子叶古染色体的推断和现代椰子染色体进化轨迹的重建。a 通过评估现存染色体之间的共享同源性来鉴定单子叶植物古染色体核型; b植物系统发育与单子叶植物核型重建;c从单子叶古染色体重建进化轨迹,形成现存的椰子染色体。

图3. 多组学整合分析揭示椰子株高差异的分子基础。a 高矮叶子的叶节间表型;b 椰子叶节间表型的全基因组关联分析;c 椰子幼苗期表型;d椰子株高和GA20ox表达水平比较; e 赤霉素的代谢途径和高矮椰子间的基因表达差异;f 椰子中赤霉素含量的差异;g 高矮椰子细胞的光学显微镜照片;h 叶片细胞长度的比较。

 

(编辑:许劲草)

 

 

 

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