叶绿体基因组投稿期刊推荐

题目： Zygnema circumcarinatum UTEX 1559 chloroplast and mitochondrial genomes provide insight into land plant evolution 轮藻 Zygnema circumcarinatum  UTEX 1559叶绿体和线粒体基因组为陆生植物进化提供了新见解 发表期刊： Journal of Experimental Botany  发表时间： 2020-3-24   影响因子： 5.36轮藻的完整叶绿体和线粒体基因组为陆地植物的陆生化提供了新的线索。在此，研究者报道了UTEX 1559的细胞器基因组，以及绿藻、轮藻和陆地植物的33个质体和18个线粒体基因组的比较基因组学研究。通过这些质体和线粒体基因组确定基因的存在/缺失。UTEX 1559 (157,548 bp)和SAG 698-1a (165,372 bp)质体之间的比较揭示了非常相似的基因，但是基因组发生了实质性的重排。令人惊讶的是，这两个质体只有85.69%的核苷酸序列一致性。UTEX 1559线粒体基因组大小为215,954 bp，是所有测序轮藻中最大的。有趣的是，这个大的线粒体基因组包含一个50 kb的区域，与任何其他细胞器基因组都没有同源性，其两侧是两个86 bp的正向重复序列，包含15个ORFs。这些ORFs与来自细菌和植物的蛋白质具有显著的同源性，具有诸如引物酶、RNA聚合酶和DNA聚合酶的功能。本研究结论为：(i)先前发表的SAG 698-1a质体可能来自不同的双星藻属 Zygnema 物种，以及(ii)UTEX 1559线粒体基因组中的50 kb区域可能是最近获得的可移动元件。 图1、两种 Z. circumcarinatum 藻种SAG 698-1a(上)和UTEX 1559(下)的MAUVE比对。结果显示了大量的重排和不同的质体长度，表明这些藻种可能不是同种的。A框显示了含有 ccsA 基因和 trnI 基因的区域，这是两个质体之间极少数保存完好的区域。B框显示了一个位于 ndhJ 基因和tRNA， trnL ( uag )之间的大区域，该区域是最大的区域(100kbp)，在该区域内共享保守的基因序列，但在位置上相对于其他区域非常显著地发生了重排。 图2、基于质体基因构建的系统发育图，热图代表基于基因GO的功能基因分组。 图3、基于线粒体基因构建的系统发育图，热图代表基于基因GO的功能基因分组。 图4、本研究包括的线粒体基因组的基因密度图。x轴为每个线粒体基因组中基因序列的百分比。y轴为物种。圆的大小为基因间间隔的百分比(IGS)。圆的颜色代表线粒体基因组大小。除了 A. thaliana 和 Z. circumcarinatum   UTEX 1559以外的所有物种都保持40%或更高的基因密度。UTEX 1559的基因密度为29.4%，不包括移动元件中的基因。当考虑移动元件中存在的额外基因时，UTEX 1559仍然保持低于40%的基因密度。 图5、UTEX 43 1559线粒体基因组中50 kb“基因沙漠”区域示意图。通过ORFfinder和序列相似性搜索，在该区域共发现16个基因(15个CDSs和1个tRNA)。

纵观各领域焦点文献，不难发现，目前研究者们主要采用四种组装策略： 第一种策略 是依赖于亲本序列进行高效组装的Trio-binning[1]（Illumina+PacBio）法。这种方法虽简便易行，但在亲本为杂合子时易出现reads的错误划分； 第二种策略 是不依赖亲本序列，结合Hi-C数据，产出染色体级别单倍型的DipAsm[2]（HiFi+Hi-C）法，但对高度杂合区域易出现错误划分； 第三种策略 是有效利用HiFi reads生成高质量单倍体的Hifiasm[3]法，与DipAsm相比，Hifiasm不仅保持了不依赖亲本从头组装的优势，还降低了对Hi-C数据的依赖性，简化了流程，一键式实现组装和定相，且可整合Hi-C数据帮助挂载，正逐渐成为高质量组装的首选方法； 第四种策略 是多倍体组装策略——PolyGembler[4]或nPhase[5]法。其中前者分型需要提供家系数据，后者需要提供参考基因组序列。 由此可见，异源多倍体单倍型分型原则上需提供亲本序列，若不能提供，至少要提供其进化上的祖先种/近似祖先种序列（用于比对来拆分不同的亚基因组），并在后期帮助挂载。到此，单倍型组装的主流策略已介绍完毕，细心的你更青睐哪种策略呢？ 虽然大家已经对单倍型组装策略有了一定了解，但我们仍需再趁热打铁一把，继续从文章分析内容出发，深入了解下单倍型基因组的研究思路！ 一、研究背景 茶是一种极为重要的经济作物，含有多种被认为对人体健康有益的多酚化合物。茶树是无性繁殖农艺作物，这种无性繁殖能有效地保持有价值的基因型，避免其因分离或有性重组而丢失。同时无性繁殖也容易导致作物积累有害突变，造成植物突变负荷升高。个体中高水平的有害突变最终会降低相对适合度，从而降低农艺表现。目前关于茶的遗传负荷响应机制尚不清楚。本研究将通过组装茶单倍型基因组，对等位基因特异性表达进行分析，并结合全基因组重测序数据对群体遗传进化进行分析，以预测对茶树驯化育种具重要价值的分子机制。 二、材料方法 PacBio+Illumina+Hi-C组合测序策略。以1个铁观音（TGY）个体为样本，结合129个全基因组重测序数据和近期发表的61个非冗余全基因组重测序资料构建了一个完整的数据集。 三、主要结果 1.铁观音单倍型基因组组装 TGY的基因组大小约为3.15 Gb，杂合度为2.31%。文章首先使用PacBio长序列对初始contigs进行组装，随后使用Illumina短序列进行纠正，获得了大小为5.41 Gb的基因组，表明整个基因组具有高杂合度。接着，文章对杂合序列使用Khaper程序进行处理，得到大小为3.06 Gb的嵌合式基因组，此时contig N50为1.94 Mb，BUSCO完整性评估结果为93.7%。最后，文章利用TGY基因组的高杂合性，使用ALLHiC和Canu进行单倍型拆分和定相，从而产生15对假染色体和5.98 Gb的锚定序列。共线性分析结果显示：两种单倍型的基因序列高度一致。同时对单倍型间序列差异进行分析，发现两种单倍型之间序列的重叠率为98.3%。 2. 铁观音单倍型基因组与茶树基因组变异研究 文章首先对单倍型基因组进行选择压力分析，发现86.9%的等位基因对包含至少一个非同义替换。这些差异表明，TGY单倍型基因组对揭示等位基因结构和功能差异具参考意义。随后文章对不同组织中等位基因表达情况进行分析，发现大多数等位基因的表达模式是一致的，例如单倍型B的CsSRC2基因在第二个外显子中具有两个3-bp的插入和一个78-bp的缺失，引入了两个额外的氨基酸（赖氨酸和天冬酰胺）和蛋白质序列中26个氨基酸的去除。而在单倍型A中也检测到一个非同义突变，使氨基酸由谷氨酰胺变为组氨酸。对CsSRC2进行转录表达水平分析，结果显示，在不同组织中CsSRC2等位基因表达模式一致。另外，文章还发现了386个在组织中表达有差异的等位基因，其中几个基因与挥发性有机化合物的生物合成有关，包括黄酮、黄酮醇和萜类化合物。随后文章对等位基因差异表达（ASE）结果进行统计，发现在14,691个基因中，有4,423个基因（30.1%）在茶叶中表现出显著的ASE。同时在6个组织中有1,528个基因偏向于一个等位基因的表达，这些基因通常与核糖体、自噬作用、转录因子和剪接体等多种生物学过程相关，提示减少有害突变的关键因子可能与基本生物功能中差异表达的基因相关联。 文章又收集了129份茶树材料和已发表的61份重测序茶树样品，进行了全基因组重测序，分析确定了9,407,149个SNPs和829,388个小Indels (< 10 bp)。文章接着利用496,448个单拷贝基因的SNPs进行系统发育分析，结果显示茶树主要分成3个类群：C. taliensis、C. sinensis var. sinensis（CSS）和C. sinensis var. assamica（CSA）。使用SplitsTree和TreeMix进行分析，结果显示茶树系统发育关系网络复杂，且茶树群体之间存在显著的基因交换。文章最后对CSA和CSS驯化基因进行分析，发现两个品种具有不同的芳香化合物、株高和耐寒性等特点，可能与驯化过程中人工选择作用相关。 四、研究结论 该研究清楚地表明现代栽培品种种内和种间基因渐渗对遗传多样性的贡献，为茶树的进化历史提供了遗传学和分子生物学方面的见解。同时，该研究表明，PacBio+Illumina+Hi-C测序技术可以助力准确单倍型基因组组装，为分析变异与驯化机制提供基因组资源。 一、研究背景 荔枝是重要的热带水果，在20多个国家都有种植，其突出的营养成分和诱人的颜色，使其成为国际市场上具有吸引力的热带或亚热带水果之一。依据果实成熟期差异，荔枝品种可分为极早熟品种（EEMC）、中早熟品种（EMC）和晚熟品种（LMC）。果实品质较好的品种通常归属于LMC类群，而EEMC类群的品种数量较少，生产价值较低。然而造成荔枝品种差异的分子机制尚不清楚。研究荔枝基因组的结构和进化对促进荔枝及无患子科近缘植株的遗传改良具重要价值。 二、材料方法 PacBio+Illumina +Hi-C+10x Genomics组合测序策略。以妃子笑为高质量参考基因组，结合72份野生或栽培种质全基因组重测序资料构建数据集。 三、主要结果 1. 妃子笑单倍型基因组组装 妃子笑的初始组装基因组大小为962Mb，基因组杂合度2.27%。文章使用流式细胞仪或Survey方法评估基因组大小约为500或460Mb，说明初始组装版本包含两套染色体信息。所以文章首先使用HaploMerger2进行单倍型分型，选择与流式预估大小相近的基因组结合Hi-C数据进行挂载，得到了15条假染色体（pseudochromosomes），大小为470Mb，BUSCO评估结果为96.2%。由于妃子笑基因组具高杂合度，使得文章能够接着利用 SNPs的reads分型组装方法和10x Genomics测序数据，成功组装出妃子笑的两个单倍型基因组，然后利用不同群体材料全基因组重测序数据与15对染色体序列进行比对，根据覆盖度的差异获得了云南单倍型（HY，450M）基因组和海南单倍型（HH，455M）基因组，指明了妃子笑基因组的来源。最后文章对获得的单倍型进行了准确性的分析，发现HY和HH基因组序列之间总SNPs的平均杂合度为2.38%，与k-mer估计值2.27%相似，说明此次单倍型分型是准确的。 2. 荔枝全基因组复制事件和变异分析 生成单倍型基因组后，文章首先对荔枝基因组进行了全基因组复制事件（WGD）分析，发现荔枝仅发生过核心双子叶植物共有的全基因组三倍化事件，说明以荔枝为代表的无患子科近期没有发生WGD。随后，文章又收集了34份野生荔枝品种和38份栽培荔枝品种进行全基因组重测序分析，共鉴定出80,235,643个变异，为荔枝的遗传驯化研究提供参考。 3. 荔枝基因组等位基因差异表达分析 由于荔枝基因组中相关等位基因差异表达可能对其生长和进化产生深远影响。文章继续对35个荔枝样品中等位基因表达情况进行分析，发现约14,000个差异等位基因（DEAs）处于稳定差异表达状态。随后文章继续对妃子笑荔枝样品中等位基因表达情况进行分析，确定了13,517个DEAs。接着文章对DEAs分布区域进行汇总，发现这些DEAs在某些基因组区域中高度富集，例如，许多DEAs积聚在5号染色体的3′端。同时，文章发现与非差异表达的等位基因（EEAs）相比，DEAs的启动子、内含子以及3'UTR和5'UTR具有更高的SNPs密度，这表明DEAs表达量的差异可能与转录因子和启动子区的序列变异有关。最后文章对不同区域SNPs密度进行分析，发现外显子中的SNPs密度显著低于其他区域（例如，外显子与启动子的差异为1.47倍），同时对于这些外显子SNPs，转换比颠换更为普遍，且多数是非同义的。因此，文章推测DEAs的两个等位基因可能具不同功能，导致其对突变的耐受性较低。 为了剖析荔枝果实成熟的调控网络，文章使用72个种质进行了全基因组关联分析（GWAS），发现一个开花相关基因（LITCHI019307）在荔枝中具差异表达。接着文章对不同品种基因结构进行分析，发现HY基因组中鉴定到的3.7 kb缺失片段可能有助于解释荔枝种质之间COL307差异表达和开花时间差异。 四、研究结论 该研究通过PacBio+Illumina+Hi-C+10x Genomics测序技术，结合全基因组重测序数据，助力准确单倍型基因组组装，并对等位基因在不同组织中差异表达情况进行分析，为利用变异助力驯化机制提供基因组与转录本资源。同时结合全基因组关联分析，为分子育种和基因组选择提供了理想的靶标，为培育多样化荔枝品种提供参考。 一、研究背景 生姜，广泛的药用植物和香料之一，是许多国家传统药用系统中最著名的非处方药之一。目前全球有超过39个国家在种植生姜，中国和印度是两个生姜生产大国。FAO的数据显示，2019年全球生姜产量为408万吨，是世界贸易中具重要经济价值的植物。同时生姜中具有多种生物活性化合物。其中，姜辣素依据其药理特性，被认为是生姜中最重要的药用化合物。然而，在姜属中，迄今为止只有叶绿体基因组序列已公布，可用来进行代谢相关研究的高质量基因组组装研究仍未开展，这种基因组资源的缺乏严重阻碍了人们对生姜基因组进化和姜辣素生物合成途径的理解。本研究将通过获得生姜高质量基因组与拆分单倍型基因组，进一步揭示生姜生物学和育种相关内容，并为物种特异性姜辣素生物合成途径提供依据。 二、材料方法 PacBio+Illumina +Hi-C组合测序策略。 三、主要结果 1. 生姜高质量基因组和单倍型基因组组装 为了对生姜的基因组大小进行评估，文章进行了k-mer分析，结果表明生姜基因组大小约为1.59 Gb，杂合度为3.6%。文章使用Illumina、PacBio和Hi-C测序数据，对生姜" Zhugen "（2n = 2x = 22）基因组进行组装。首先文章使用Falcon软件进行基因组contigs的从头组装，并使用Falcon phase进行定相。然后文章用Arrow抛光contigs并用Pilon校正。得到单倍型1和单倍型0。最后文章使用Hi-C数据辅助挂载，并获得了两套染色体水平的单倍型基因组，其中单倍型1的基因组大小为1.53 Gb，包含669个contigs（N50为4.68 Mb）。而单倍型0的基因组大小为1.51 Gb，具有636个contigs（N50为5.28 Mb）。 2. 生姜单倍型基因组间的比较分析和等位基因差异表达分析 文章使用PacBio长序列验证单倍型1和单倍型0。发现PacBio长序列和单倍型1之间有97.95%的重叠，与单倍型0有98.1%的重叠，而两种单倍型之间的杂合率为3.78%，与k-mer分析一致，表明单倍型间的分相是精确的。为了进一步了解单倍型间的差异，文章继续对两种单倍型的选择压力进行分析，发现二者单拷贝基因的Ka / Ks比率是一致的，这意味着两种单倍型在生姜的驯化历史中经历了相似的选择压力。此外，文章通过共线性分析在两种单倍型之间共鉴定到了57个主要共线性块，且包含12个反转，表明单倍型间仍存在差异。随后文章继续对两种单倍型间的同源基因进行分析，共鉴定到了55,635个同源基因（占所有注释基因的72.0%）。然后文章进一步对两种单倍型的17,226个等位基因对的特征进行分析，发现大部分等位基因在染色体上的分布模式相似，且这些等位基因的表达水平在单倍型之间没有显著差异。但是有2,055个基因对（11.9%）表现出等位基因之间的差异表达，且这些差异位点主要在代谢途径中富集。 为了进一步揭示生姜生物代谢路径中的关键因子，文章对不同发育阶段生姜根和茎中的差异表达基因（DEGs）进行分析，发现不同发育阶段生姜根茎中共6,690个基因呈现显著下调表达趋势，773个基因上调。而转录组学和代谢物相关性分析表明，不同发育阶段组织中部分基因家族的表达模式与姜辣素和姜黄素的积累程度相关。 四、研究结论 该研究通过PacBio+Illumina+Hi-C组合测序技术助力准确单倍型基因组组装，并对单倍型间差异进行了细致区分。随后，结合比较基因组，对生姜基因组进化情况进行研究；并结合转录组学和代谢组学对在不同发育阶段组织中等位基因差异表达情况和代谢物含量进行关联分析，分析了姜辣素生物合成基因家族成员之间的相关性，并提出了姜辣素类似物的骨架生物合成途径，为了解生姜代谢奠定了基础。 上述内容均显示，单倍型基因组是结合变异与差异表达分析的重要突破口，同时也是后续实现优质分析的先决条件。对分析内容进行总结后，不难发现，单倍型基因组与全基因组重测序相结合的研究方法可以为高水平文章的问世提供更多分析内容与保障。 参考文献 1. Koren S, Rhie A, Walenz B P, et al. De novo assembly of haplotype-resolved genomes with trio binning[J]. Nature Biotechnology, 2018, 36:1174–1182. 2. Garg S, FungtammasanA, Carroll A, et al. Chromosome-scale, haplotype-resolved assembly of human genomes[J]. Nature Biotechnology, 2021, 39:309–312. 3. Cheng H, Concepcion G T, Feng X, et al. Haplotype-resolved de novo assembly using phased assembly graphs with hifiasm[J]. Nature Methods, 2021, 18:170–175. 4. Zhou C, Olukolu B, Gemenet D C, et al. Assembly of whole-chromosome pseudomolecules for polyploid plant genomes using outbred mapping populations[J]. Nature Genetics, 2020, 52:1256–1264. 5. Saada O A, Tsouris A, Eberlein C, et al. nPhase: an accurate and contiguous phasing method for polyploids[J]. Genome Biology, 2021, 22:126. 6. Zhang X, Chen S, Shi L, et al. Haplotype-resolved genome assembly provides insights into evolutionary history of the tea plant Camellia sinensis[J]. Nature Genetics, 2021, 53:1250–1259. 7. Hu G, Feng J, Xiang X, et al. Two divergent haplotypes from a highly heterozygous lychee genome suggest independent domestication events for early and late-maturing cultivars[J]. Nature Genetics, 2022, 54:73–83. 8. Li HL, Wu L, Dong Z, et al. Haplotype-resolved genome of diploid ginger (Zingiber officinale) and its unique gingerol biosynthetic pathway[J]. Horticulture Research, 2021, 8:189.

2022年1月19日，广西农科院经济作物所严华兵团队联合菲沙基因在园艺领域权威期刊 Horticulture Research （IF=6.79）上发表了题为“ 《Chromosomal-level genome and multi-omics dataset of Pueraria lobata var. thomsonii provide new insights into legume family and the isoflavone and puerarin biosynthesis pathways》 ”的研究论文，该研究通过PacBio和Hi-C测序 构建了粉葛高质量的染色体水平基因组，解析了粉葛的基因组特征，随后利用包括基因组、转录组、代谢组在内的多组学技术深入解析了粉葛重要次生代谢物的生物合成机制 ，从而为粉葛的资源利用、遗传育种等研究提供了新见解。

鉴于粉葛杂合度较高，研究者选用了PacBio和Hi-C测序，构建的粉葛基因组大小为 1.38Gb ， Contig N50=598 kb ，并将99.3%的序列锚定到 11 条染色体上，BUSCO评估基因组完整性为 92.9% 。通过注释，共获得了 45,270 个蛋白编码基因，其中94.4%的基因可以得到功能注释，基因组中重复序列占比为 62.7% 。

将粉葛与16个近缘物种（包含5个豆科植物）进行比较基因组分析，结果表明：

通过对高葛根素ZG-19和低葛根素ZG-39进行转录组和代谢组分析，研究者检测到了614种225种 差异代谢物（DMs） ，1814个 差异表达基因（DEG） ，DMs和DEG的丰富功能类别重叠，这说明 它们都是与类黄酮、异黄酮和ABC转运相关的基因或代谢物 。

进一步分析 代谢物与基因表达的相关系数 ，结果表明代谢物和基因对在样本中高度相关，60%的显著相关性涉及上调的代谢物和下调或不变的基因，在15%的显著相关性中， 代谢物和基因表达的变化方向相同 。

此外，研究者在异黄酮生物合成途径中发现了大量的DMs和DEG。这充分解析了粉葛中异黄酮的生物合成途径。

通过 同源基因搜索 ，研究者发现编码葛根素合成途径中关键酶的9个基因家族在粉葛中都有所 扩张 ；通过分析糖基转移酶家族中催化糖基化修饰的基因，共鉴定出104个GT基因，有13个基因与8-C-葡萄糖基转移酶（8-C-GT）同源，其中6个与先前研究的催化大豆苷元C-糖基化为葛根素的PIUGT43基因同源。

编码大豆异黄酮合酶（IFS）的基因（CHR11G3854.1）催化着葛根素合成的中间代谢物大豆苷元的合成， 被鉴定为与葛根素的合成途径高度相关 。总之，上述分析初步解析了粉葛中葛根素的生物合成途径。

综上，该研究通过构建高质量的粉葛基因组解析了粉葛基因组的进化特征；通过多组学分析深入解析了粉葛中重要次生代谢物异黄酮、葛根素等生物合成途径，从而为粉葛的资源利用、遗传育种等研究提供了新见解。

广西农业科学院经济作物研究所严华兵研究员团队近些年与华中农业大学、菲沙基因、上海大学、广西中医药大学、广西医科大学等单位持续开展联合攻关，在全球葛根资源收集与鉴定评价、葛属资源分类、葛根基因组与分子生物学、粉葛和野葛品种选育、健康种苗生产、高产高效栽培等方面取得了一系列的成果。团队到目前为止，已广泛收集全球葛属种质资源419份，包括野葛、粉葛、葛麻姆、大花葛、泰葛、苦葛、红葛、须弥葛、食用葛等；通过开发葛SSR分子标记，构建了广西葛核心种质库；通过广泛靶向代谢组解析葛属葛种野葛、粉葛和葛麻姆等3个变种块根中影响食用品质和药用品质的代谢差异；结合表型鉴定通过叶绿体基因组研究，揭示了葛及其近缘种之间的系统发育关系；挖掘了调控葛根素合成代谢相关的结构基因和转录因子，并正在开展相关基因功能验证工作；选育出适合开发葛花茶、高葛根素粉葛、无渣粉葛、药用野葛等系列葛根新品种，并逐步建立配套种苗繁育和高效栽培技术。以上研究相关成果先后发表在Horticulture Research、Frontier in Plant Science、Molecules、植物遗传资源学报、植物生理学报等期刊，相关研究先后得到了国家自然科学基金委、广西科技厅等部门项目的资助。粉葛基因组文章的发表将进一步推动全世界葛属植物的进化与分类研究，促进我国葛根产业的科技进步，发挥基础研究源头供给作用以进一步推动广西地方特色优势粉葛产业的高质量发展。

说到葛根大家一定不陌生，野葛在美国开始被用作生态治理后来泛滥成灾被列为入侵生物，泰国葛根产业及其健康功效风靡全球。最早关于葛的文献记载出现在周代，《神农本草经》记载“(葛根)主消渴，身大热，呕吐，诸痹，起阴气，解诸毒”。葛根具有解肌退热，生津止渴，透疹，升阳止泻，通经活络，解酒毒等。现代药理研究表明，葛根在改善心血管系统、抗氧化、降血糖、解热、抗炎、解酒护肝、神经保护、抗骨质疏松和雌激素样作用等方面具有较好的药理活性。

粉葛为豆科葛属植物，为药食同源两用植物，素有“亚洲人参”、“南葛北参”的美誉，广泛种植在广西、广东、江西、湖南、湖北等地，其中广西是粉葛主要种植产区，种植面积全国第一！其中梧州藤县和平镇是中国著名的“葛根之乡”，藤县葛色天香和平粉葛产业（核心）示范区被评为广西现代特色农业(核心)四星级示范区。当前广西粉葛产业发展仍然面临很多亟待解决的问题，粉葛基因组的解析将为粉葛产业高质量发展提供科技支撑。

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