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我所本草基因組學團隊率先破譯菊花(野菊)基因組

文章來源: 作者: 發布時間:2019年02月26日 點擊數: 次
由中國中醫科學院中藥研究所、湖北中醫藥大學、南京農業大學、安利植物研發中心和浙江農林大學等多家單位聯合發起的菊花全基因組計劃取得重大進展。近日國際著名期刊Molecular Plant在線發表了野菊(菊花腦)的全基因組測序工作(DOI:https://doi.org/10.1016/j.molp.2018.10.003)。菊花基因組聯合公關團隊利用納米孔(Nano-pore)測序技術突破復雜高等植物基因組測序,首次完成了藥用菊花野菊(圖1)為菊屬植物代表的全基因組測序,同時本項研究還完成重要的藥用菊花品種——杭白菊的全長轉錄組遺傳信息發掘。此次完成野菊全基因組測序,對于闡釋被子植物的進化尤其是菊科植物多樣性具有極其重大的科學意義,同時本項研究將極大地促進菊花藥效成分、香氣、花型及花色相關基因的深入挖掘和分子育種模式下的藥用菊花品種選育。
 
圖1 野菊(菊花腦)圖片
眾所周知,菊科物種是被子植物最大的科,其物種數據大約占到被子植物總數的10%。菊屬作為菊科極具觀賞價值、藥用價值的屬,包括菊組和苞葉組兩大分支。其中大家較熟悉的野菊、甘菊、菊、異色菊等都屬于菊組成員,其特有的花瓣形態與顏色,多樣的染色體結構與倍性,以及復雜的雜交事件,一直備受植物學家的關注。同時作為重要的中藥原料,《中華人民共和國藥典》2015年版共收錄了菊屬的野菊和菊兩個物種。針對菊屬植物復雜的染色體遺傳結構以及豐富的種質資源遺傳多樣性,團隊完成了菊花的全基因組測序,這對于揭示菊屬物種的起源進化及物種多樣性具有重要的意義。項目團隊利用納米孔測序結合二代高通量測序技術對分布于江蘇南京的野菊花(菊花腦)進行了全基因測序、組裝、注釋及相關分析。通過Nanopore測序技術,總共獲得了39個flow cell數據105.2Gb數據,共計570萬條單分子的reads,平均長度17.7kb。本研究結合362.3 Gb 的Illumina數據,采用混合拼接的方法,共組裝出了約2.53Gb基因組總長,約占全基因組總長的82%,鑒定出了56,870個編碼蛋白基因。針對其龐大基因組的結構組成進一步分析發現野菊基因組中69.6%被鑒定為重復序列,其中長末端重復反轉錄轉座子最多,LTR/Copia占據基因組的25.4%,其次是LTR/Gypsy repeats (21.5%)。通過和已經測序的15個植物基因組進行比較后發現,野菊中有1,939個特異基因家族共計8,009基因?;蚣易逕燜跤肜┱叛芯糠⑾止?,965和1,777基因家族發生了擴張及伸縮(圖2)。
 
圖2:野菊相關的進化分析
在菊花的進化歷史上,發生了多次的全基因組復制事件,特別是在和近緣物種向日葵基因組分化之后,菊花在大約38.8百萬年之前發生了一次物種特異的全基因組復制事件。研究發現,菊花基因組的近期復制時間可能直接導致了與花發育及重要藥效成分合成相關基因的加倍,這些事件可能與菊花大量的種質多樣性及藥效成分多樣性相關。這部分本項研究主要是針對花瓣對稱性基因TCP轉錄因子、花型MADS-box轉錄因子、類胡蘿卜素代謝途徑(圖3)、黃酮代謝相關轉錄因子、萜類合成酶及P450基因簇展開的。
 
圖3. 野菊花型、花色研究
依據該研究的發現并結合已經完成的藥用菊花代謝物品質研究,研究團隊與安利植物研發中心(無錫)通力合作,通過遺傳標記篩選、產量性狀選育及代謝組學數據統計現已選育多個黃酮及酚酸含量較高的杭白菊品種作為優質良種,正在進行大規模無公害種植以期進入到下游產品中。
本研究由中國中醫科學院中藥所宋馳副研究員、湖北中醫藥大學劉義飛教授、安利植物研發中心董剛強博士等共同完成,陳士林研究員與南京農業大學陳發棣教授為共同通訊作者。
 
 
Chi Song, Shilin Chen, et al., Molecular Plant, 2018(IF 9.32)
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