Hortic Res | 中国热带农业科学院南亚热带作物研究所剑麻研究团队在龙舌兰亚科基因组及CAM进化机制上取得进展

龙舌兰亚属（中文名“剑麻”）植物是硬质纤维的主要来源，提供了全球2/3的硬质纤维。同时龙舌兰亚属植物在食品、医药和观赏具有利用价值。龙舌兰属植物为组成型CAM植物，能耐受极端高温和干旱。龙舌兰亚属物种形成时间短，突变积累少，使得龙舌兰属植物成为研究CAM进化的模式作物。尽管利用转录数据开展了龙舌兰属植物CAM进化的研究，但缺乏基因组数据，不利于开展比较基因组分析。然而较大的基因组、高比例的重复序列和多倍化，以及难以获得纯和等因素阻碍了龙舌兰属植物基因组的研究。

2023年12月，Horticuture Research上线了（Advance Access）中国热带农业科学院南亚热带作物研究所剑麻研究团队题为A chromosome-level genome assembly of Agave hybrid NO.11648 provides insights into the CAM photosynthesis的研究论文。该研究对我国主栽品种“Agave hybrid NO.11648”进行了全基因组测序，并分析了龙舌兰属CAM进化分子机制。

该研究利用Illumina、ONT和Hi-C测序数据，以国内主栽品种“Agave hybrid NO.11648”（中文名为：东方红1号）为材料，组装了龙舌兰亚科首个染色体级别基因组。该基因组总长度为4.87 Gb，共注释出58,841个蛋白编码蛋白基因。利用Hi-C辅助组装技术将A. hybrid 基因组拼接序列锚定30条染色体上，Scaffold N50 长度186.42 Mb。

图1 A. hybrid形态、基因组特征和共线性分析

通过多组学分析，发现: (1) A. hybrid与近缘物种分离之后发生两次全基因组复制（WGD）事件，并发生染色体重排。存在长时间、低频率的LTR重复序列插入。这可能是导致龙舌兰科植物基因组增大、染色体增多的主要原因。(2) CAM途径明星PEPC基因的数量没有增加；PEPC基因的表达水平也没有明显向夜间转移；三类在C4或者CAM植物中发现的能显著提高PEPC酶活性的氨基酸突变（R/K/H - D、A - S和R - G）并未出现在A. hybrid 的PEPC中。表明基因扩张、转录重调控和氨基酸突变没有发生的A. hybrid 的PEPC基因或蛋白中。(3) 发现3个扩张的PEPCK基因在夜间和叶片高表达，来自MAPK信号级联、昼夜节律和植物激素信号转导途径的转录因子参与调控PEPCK基因表达。这些结果表明基因扩张和转录调控同时作用于龙舌兰科植物CAM的进化，提供了MAPK信号级联、植物激素信号和昼夜节律途径参与调控CAM途径的直接证据。

图2 A. hybrid CAM途径基因的转录调控

中国热带农业科学院南亚热带作物研究所剑麻研究团队杨子平博士为该论文的第一作者，周文钊研究员为通讯作者。研究得到国家现代农业产业技术体系麻类产业技术体系岗位专家经费、广东省自然科学基金、海南省自然科学基金和中国热带农业科学院基本科研业务费专项的资助。武汉万摩科技有限公司销售总监刘启博士参与此项目分析工作。

作者团队介绍

剑麻育种研究团队聚焦国家战略植物剑麻，开展剑麻种质资源收集与保存、新品种培育、剑麻抗病基因的挖掘与功能研究、产业示范推广等方面的系统研究。团队依托中国热带农业科学院南亚热带作物研究所，建立120亩剑麻研究基地，在国家现代农业产业技术体系麻类产业技术体系、国家热带植物种质资源库的支持下共引进保存103个剑麻种质，建立了国家剑麻种质资源库；构建13个杂交群体，培育剑麻优良杂交后代超过5万株；培育剑麻新品种2个；在广东、广西和云南建立剑麻种植示范与推广基地；获得国家科技进步三等奖等国家/省部级奖励5项。

近年来在团队带头人杨子平博士的组织下，完成首个剑麻基因组的拼接和注释工作；建立剑麻遗传转化体系；绘制了首张剑麻遗传图谱；挖掘了剑麻抗斑马纹病和紫色卷叶病相关基因。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhad269‍