基因相似育种研究论文

生活中的相似现象 宇宙、自然和人类，一切都是那么有规律。把一个秩序井然的世界展现在我们的面前。有今天，就必然有昨天，也必然有明天，知道了今天世界的图象，我们可以上溯一千年，也可以下推一千年，以往的世界和未来的世界，我们都可以看得清清楚楚，这中间有一个很有用的规律叫相似。天文学揭示银河系是一个螺旋式的星云，此星云在不停地运动着。生物学家高倍电子显微镜下的遗传基因，也是一个螺旋式的星云状的东西，宏观与微观世界这是一个多么惊人的相似。许多古老的种族崇拜一种神奇的螺旋纹，将这种螺旋纹刻在自己日用的生活器具上。人的手指纹是一种神奇的螺旋纹。它们是相异的但又是多么地相似，这些难道是相似的巧合吗？先看运动状态下事物的相似现象。“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”，日复一日年复一年，地球在自转的同时，又环绕太阳公转。地球上每年季节的变化是相似的。温带每年四季春夏秋冬经纬分明，十分雷同。月球是地球的卫星，它围绕着地球旋转，“月有阴晴圆缺，此事古难全。”月球每月的变化也是相似的。太阳系围着银河系环绕，银河系围着更大的天体环绕，这已被科学所证实。运动的客观规律决定了时间延续上事物的相似，谁敢说星系的发展运动中没有相似？人们可以在某一时空将星系进行宏观“切片”，切出的片我们就叫它“相似块”。我们只要充分认识了这个相似块，就可以认识天体运动的规律。哈雷彗星是一颗运行奇特、轨道呈椭圆形的行星，哈雷认识了它的一次“光顾”，便知道了它下次的来临。月球登陆、火星探测，人们足不出门户便上知天文，下知地理，说明了人类已有意无意地运用了相似思维，掌握了部分天体运动的规律。因为地球在太阳系中的相似环绕决定了大自然的周期相似。植物是“年年岁岁花相似”，地球上花朵开放的时间，它的周期相似规律十分明显，每年从1—12月，依次所开的花朵为梅花、杏花、桃花、蔷薇、石榴、荷花、凤仙、桂花、菊花、芙蓉、水仙、腊梅。中午马齿苋开花，下午万寿菊开放，下午5—22时茉莉开花。动物是“似曾相识燕归来”，动物的活动存在着周期相似。象蝙蝠的昼伏夜出，蛇的冬眠等相似现象，表现很明显。人的“生物钟”的更迭也同样说明了周期相似的生物规律。既然整个地球都存在着特别明显的周期相似现象，那么它所产生的影响，所表现出的特征，就不仅仅记录在人和一些花草树木、虫鸟禽兽身上，整个地球都应当有着强烈的印记。如气候变化的相似现象，我们山东半岛处的地理位置是温带季风气候，每年的东南季风、东北季风的运行是相似的。微观世界是否也同宏观世界一样存在着相似现象呢？现代的科学发展告诉我们，物质是由分子构成的，分子又由原子核和电子构成。电子有自转，也围绕着原子核旋转。在这个“星系”里，电子成了“行星”，原子核成了“恒星”。它们在不分昼夜地旋转，永不停息。环绕的客观规律决定了相似。科学家认识到这种环绕的相似性，绘出了不同物质的电子云，逐渐地提示了微观世界的奥秘。客观世界是如此，我们再来看一下人类社会的发展变化。“天下大势分久必合，合久必分”。人类社会的发展，相似环绕，螺旋式上升。西周（公元前约11世纪——公元前771年）300多年的统一；东周（公元前70年——公元前26年）400——500年纷争；秦汉、秦始皇时400——500年的相对统一；三国60年的战乱；隋唐320年统一。统一、混乱、再统一，人类社会在相似环绕，在相似变迁中社会得以发展。家庭中存在着相似，因为有遗传，子女的相貌、生理基础、性格特征等因素与父母相似，孪生兄妹更不必说。“幸福的家庭是相似的”，家庭与家庭间也存在着相似。家庭是社会的一个细胞，认识一个典型的家庭，就可以认识一个时期的社会。科学上的许多发明创造启示我们，科学家开始研究时大都借助于相似物的启迪。传说中的木匠鼻祖鲁班看到草叶的齿状边缘能割破手指而创造了锯条；瓦特看到蒸汽冲开壶盖发明了蒸汽机；19世纪法国普通的园艺师莫尼哀发现花木相互交叉成网状的根系使土壤不易松散而发明了钢盘混凝土，使建筑物拔地而起，桥梁横架大江南北。物理学家看到石块入水时产生的由强到弱的波纹与声音之间建立联系，得出声音是以波的形式传播的理论。莫尔斯由驿站换马的道理，建立相似中断站，解决了电报信号长距离传播的难题。著名医学家曲焕章偶见蛇伤后用来止血的草叶，发明了享誉世界的云南白药，1717年，尼科诺夫看到水鸭潜水远处猎鱼，他想到了发明潜水艇。

生姜(Zingiber officinale)是一种极具价值的食药两用园艺作物， 既为传统中药的重要成分，又是重要的调味料 ，在我国有悠久的栽培历史。中国生姜栽培面积、产量和出口量均居全球第一位。长江中上游生姜总面积226万亩，占全国，是推动乡村振兴的优选产业。姜具有多年生宿根，根茎肉质、肥厚，内含多种营养成分，它除了含有蛋白质、碳水化合物、多种维生素和矿物质外，还含有姜辣素、姜油、姜醇等生物活性物质，具有调味、抗癌、抗真菌、抗炎症、抗氧化和抗血小板聚集等用途，是香料家族和药用植物家族的重要成员。姜辣素是生姜特有的呈味物质，也是生姜多种功能活性的主要功能因子，在调味品、化妆品和医疗保健等领域具有广阔的应用前景。尽管姜在世界范围内有显著的经济价值，但由于其有性繁殖困难，基因组庞大、杂合度高，相关的分子生物学和遗传选育工作一直停滞不前。此外，长久以来生姜基因组信息的缺乏，限制了我们对 合成调控机理的理解，导致生姜分子育种发展缓慢。

近日，Horticulture Research背靠背在线发表了两个不同品种生姜基因组数据，分别是平顶山学院植物遗传育种研究组与北京林业大学等单位合作的题为 《Haplotype-resolved genome assembly and allelespecific gene expression of cultivated ginger》 的研究论文，以及重庆文理学院与西南大学等单位合作的题为 《Haplotype-resolved genome of diploid ginger (Zingiberofficinale) and its unique gingerol biosynthetic pathway》 的研究论文。

☆☆☆ 平顶山学院植物遗传育种研究组等单位的研究解析了我国重要的传统生姜品种单倍型基因组序列，揭示了单倍型基因组间差异，推断了姜高度不育的基因组基础，初步澄清了姜酚（姜辣素）生物合成通路，为后续的功能研究和分子设计育种奠定了重要基础。

该研究以全国首个国家农产品地理标志登记保护的生姜品种 张良姜 为研究对象。据记载，自汉代起“张良姜”已有2000多年的种植历史，现保存在河南省平顶山市鲁山县张良镇。此品种有“姜中之王”美称，具有色泽深黄、辛辣芳香、气浓味长、质实丝多、百煮不烂、久贮不腐等优良特性。

该研究利用先进的长读长测序技术， 解析了“张良姜”单倍型基因组序列；检测了两个单倍型基因组间的遗传差异，以此推断出与姜高度配子败育率相关的结构变异区；揭示出两套基因组间等位基因表达差异可能与基因顺式调控区、编码区序列差异、转座子的临近效应以及选择压有关；利用基因共表达网络分析，初步解析了姜酚（姜辣素）生物合成相关的基因调控机制。

☆☆☆ 重庆文理学院等单位的研究破解了西南地区主栽品种 竹根姜 的基因组，利用短读长( Gb)，长读长PacBio( Gb)及Hi-C( Gb)策略组装出竹根姜 两套单倍型高质量基因组 ，单倍型的基因组大小分别为 Gb (contig N50: M)和 Gb (contig N50： M)，的序列锚定到22条染色体（图1）。PacBio 读长在2个单倍型的overlap分别为 和，显示了分型的准确性。 两套单倍型的Ka/Ks分析揭示生姜驯化历史过程中经历了相似的选择压力。通过等位基因分析，总共55,635个基因（占所有基因的72%）在两个单倍型中具有同源性。生姜17,226对等位基因中，在转录水平表现出染色体偏好性（图2）。该研究发现生姜基因组杂合度，是目前已报道杂合度最高的植物基因组。重复序列高，其中长末端片段重复(long terminal repeats，LTRs)占，可能是导致其基因组大、杂合度高的主要原因，同时也是生姜基因组进化的主要驱动力。生姜等位基因在两套单倍型中没有展现出表达差异，17,226对等位基因中有2055对()在转录水平表现出染色体偏好性。

通过整合基因组、转录组和代谢组数据进行整合分析，该研究构建了生姜特有成分姜辣素的合成通路，筛选出12个参与姜辣素合成的关键酶家族（PAL, C4H, 4CL, CST, C3′H, C3OMT, CCOMT, CSE, PKS,AOR, DHN, 和DHT），鉴定出38个可能调控姜辣素合成的重要转录因子家族，并绘制出姜辣素合成的分子调控网络（图3）。

作者简介

Haplotype-resolved genome assembly and allelespecific gene expression of cultivated ginger

平顶山学院程世平副教授、北京林业大学博士生贾凯华（现山东省农业科学院工作）、博士生刘辉和张仁纲博士（源宜(山东)基因科技股份有限公司）为共同第一作者。通讯作者是北京林业大学毛建丰副教授和比利时根特大学教授、比利时皇家科学院院士Yves Van de Peer。平顶山市农业科学院马爱锄博士、于从文研究员也参与了该项研究。该工作还包含来自瑞典于默奥大学、加拿大拉瓦尔大学、不列颠哥伦比亚大学、根特大学、比勒陀利亚大学和南京农业大学等单位的合作者。该研究得到河南省科技攻关以及平顶山学院高层次人才启动基金等项目的资助。

Haplotype-resolvedgenome of diploid ginger (ingeiber officinale) and its unique gingerolbiosynthetic pathway

该工作由重庆文理学院牵头，联合长江大学、西南大学和华大基因共同完成。李洪雷教授、吴林副教授、董照明副教授、姜玉松教授和姜三杰博士为论文的共同第一作者，刘奕清教授、夏庆友教授、简建波博士和邹勇副教授为论文的共同通讯作者。济南市第二农科院李承勇研究员、李庆芝高级工程师等参与了该研究。该研究得到了重庆文理学院生姜基因组重大专项、重庆市自然科学基金等项目的支持。

文章链接： Haplotype-resolved genome assembly and allelespecific gene expression of cultivated ginger

Haplotype-resolved genome of diploid ginger (Zingiberofficinale) and its unique gingerol biosynthetic pathway