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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
由中国中医科学院中药研究所、湖北中医药大学、南京农业大学、安利植物研发中心和浙江农林大学等多家单位联合发起的菊花全基因组计划取得重大进展。近日国际著名期刊Molecular Plant在线发表了野菊(菊花脑)的全基因组测序工作(DOI:https://doi.org/10.1016/j.molp.2018.10.003)。菊花基因组联合公关团队利用纳米孔(Nano-pore)测序技术突破复杂高等植物基因组测序,首次完成了药用菊花野菊(图1)为菊属植物代表的全基因组测序,同时本项研究还完成重要的药用菊花品种——杭白菊的全长转录组遗传信息发掘。此次完成野菊全基因组测序,对于阐释被子植物的进化尤其是菊科植物多样性具有极其重大的科学意义,同时本项研究将极大地促进菊花药效成分、香气、花型及花色相关基因的深入挖掘和分子育种模式下的药用菊花品种选育。
 
图1 野菊(菊花脑)图片
众所周知,菊科物种是被子植物最大的科,其物种数据大约占到被子植物总数的10%。菊属作为菊科极具观赏价值、药用价值的属,包括菊组和苞叶组两大分支。其中大家较熟悉的野菊、甘菊、菊、异色菊等都属于菊组成员,其特有的花瓣形态与颜色,多样的染色体结构与倍性,以及复杂的杂交事件,一直备受植物学家的关注。同时作为重要的中药原料,《中华人民共和国药典》2015年版共收录了菊属的野菊和菊两个物种。针对菊属植物复杂的染色体遗传结构以及丰富的种质资源遗传多样性,团队完成了菊花的全基因组测序,这对于揭示菊属物种的起源进化及物种多样性具有重要的意义。项目团队利用纳米孔测序结合二代高通量测序技术对分布于江苏南京的野菊花(菊花脑)进行了全基因测序、组装、注释及相关分析。通过Nanopore测序技术,总共获得了39个flow cell数据105.2Gb数据,共计570万条单分子的reads,平均长度17.7kb。本研究结合362.3 Gb 的Illumina数据,采用混合拼接的方法,共组装出了约2.53Gb基因组总长,约占全基因组总长的82%,鉴定出了56,870个编码蛋白基因。针对其庞大基因组的结构组成进一步分析发现野菊基因组中69.6%被鉴定为重复序列,其中长末端重复反转录转座子最多,LTR/Copia占据基因组的25.4%,其次是LTR/Gypsy repeats (21.5%)。通过和已经测序的15个植物基因组进行比较后发现,野菊中有1,939个特异基因家族共计8,009基因。基因家族伸缩与扩张研究发现共1,965和1,777基因家族发生了扩张及伸缩(图2)。
 
圖2:野菊相關的進化分析
在菊花的進化曆史上,發生了多次的全基因組複制事件,特別是在和近緣物種向日葵基因組分化之後,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複制事件。研究發現,菊花基因組的近期複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、類胡蘿蔔素代謝途徑(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。
 
图3. 野菊花型、花色研究
依據該研究的發現並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、産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爲優質良種,正在進行大規模無公害種植以期進入到下遊産品中。
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爲共同通訊作者。
 
 
Chi Song, Shilin Chen, et al., Molecular Plant, 2018(IF 9.32)
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