【2018年末精选】值得一看的三代基因组文章（植物篇）

从2000年第一个植物基因组拟南芥被破译以来^[1]，近20年里有300多种植物被相继测序并发布，覆盖了各种粮食、油料、蔬菜、药用及果类作物。已知植物基因组从几十Mb到一百多Gb不等，其多倍性、高杂合以及多重复区域的特点常常让小伙伴们感到荆棘遍地，举步维艰。前段时间，整理了中药基因组的文章，今天再为您奉上2018年发表的植物基因组高分文章思路，助您新的一年披荆斩棘，在科研的道路上昂首阔步！

文章给出了105种已发表的基因组的组装对比，用事实证明了基于第三代测序技术平台在植物基因组组装上的显著优势。

玫瑰是重要的观赏性植物，具有很高的的文化和经济价值。法国里昂大学的研究人员完成了首个玫瑰全基因组的测序组装，并通过对几个主要玫瑰品种的重测序分析对玫瑰的起源及驯化历史提出了新的见解。

玫瑰基因组高度杂合，其基因组组装极具挑战性。法国里昂大学的Bendahmane研究组开发了一种体外培养方案，从源自中国的杂合二倍体玫瑰品种Rosa chinensis中获得了一个纯合子，用三代长读长PacBio SMRT测序和Hi-C染色体构象捕获技术获得了首个高质量玫瑰基因组。基因组的多样性分析揭示了同时具有强生长活力和反复开花的中欧杂交品种“La France”的起源之谜。研究者从Rosa chinensis的基因组片段中发现了新的与反复开花相关的候选基因。通过重建调控和次级代谢途径，研究者提出了一种与花香和花色相互关联的调控模型。

玫瑰基因组的发布为理解玫瑰性状的调控机制提供了基础，并将加速玫瑰、蔷薇科植物和观赏植物的品种改良。

小麦是人类重要的食物来源，获得其基因资源并对其遗传多样性和关键性状分析将是实现小麦高产增收的重要途径。

中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室等单位合作完成了小麦A亚基因组的测序和染色体序列精细图谱的绘制。该研究结合了BAC建库方法，三代PacBioSMRT技术、Bionano光学图谱技术和10X genomics技术，成功绘制了小麦A亚基因组的精细图谱，绘制出了小麦A亚基因组7条染色体的序列图谱，注释出了41,507个蛋白编码基因。

研究发现在小麦基因组中参与春化和开花的REM类转录因子基因有明显扩增。通过与水稻、高粱和短柄草基因组的比较和共线性分析，推演出了小麦A亚基因组7条染色体的进化模型，并鉴定出了小麦A亚基因组从二倍体，经四倍体到六倍体进化过程中的染色体结构变异。

此次科学家描绘的小麦 A 基因组图谱，将有力地促进小麦基因组学研究和小麦分子设计育种的开展。这项研究也体现了长读长测序技术及光学图谱技术在使基因组更完整、更精细、更准确上的重要应用价值。

中国农业大学农业生物技术国家重点实验室及国家玉米改良中心联手武汉未来组、斯坦福大学及冷泉港等团队合作，公布了一个重要玉米种质的高质量参考基因组，并发现了种内特有的基因顺序及基因结构变异可能对杂种优势和基因组进化产生影响。

该研究通过将三代PacBioSMRT测序技术、二代Illumina测序技术与BioNano光学图谱技术结合，获得了一个高质量的Mo17的参考基因组，给予了一个能够广泛比较玉米种内基因组多样性的前所未有的机会。

该研究利用三代测序技术揭示了玉米种间存在的大量非共线性基因、种内基因组结构变异及基因差异表达等，这些因素可能是造成玉米世系特异性的重要原因之一，因此评估这些非共线性基因对农业性状定量表型变异的影响将是未来一个很有价值的研究方向。

2018年10月，罂粟基因组在著名科学杂志Science上发布，一度引起轰动。该研究公布了罂粟基因组草图，组装中运用了Illumina、10Xgenomics及PacBio测序数据，并使用Nanopore和BAC数据辅助验证组装质量，最终contigN50为1.77Mb，scaffoldN50为204 Mb。

研究者将罂粟基因组与葡萄、拟南芥、阿拉伯咖啡、莲和耧斗菜等双子叶植物基因组进行比较分析，探索罂粟的演化历程。研究发现，罂粟基因组在距今780万年前发生了一次全基因组加倍事件。

罂粟基因组为研究者提供了一个可以定位与BIA代谢相关基因的机会——位于11号染色体上的一个584kb的区域内，排列着诺斯卡品基因簇、(S)- to (R)- reticuline (STORR)基因及四个吗啡生物碱合成途径相关基因，这些基因在茎中共表达合成吗啡，也称为BIA基因簇。研究发现，基因组重排在罂粟中BIA代谢的进化中起重要作用。

现代甘蔗是一种多倍体种间杂交种，同时具有Saccharum officinarum的高含糖量及Saccharum spontaneum的强抗逆性、抗病性和再生能力。甘蔗基因组大而复杂，其组装是一项世界性技术难题。

福建农林大学明瑞光教授团队应用BAC技术、Illumina、PacBio长读长测序技术及Hi-C染色体构象捕获等技术，首次完成了对单倍体S. spontaneumap85-441(1n = 4x = 32)的基因组测序，完成了32条模拟染色体的组装。通过两轮MAKER分析及人工注释，研究者鉴定出了甘蔗基因组中的35,525个等位基因。与高粱相比，S. spontaneum的基本染色体数目从10条减少到8条，这是由2条祖先染色体分裂引起的。通过基因组内部比较分析，证实了S. spontaneum发生了两次间隔较短的全基因组复制事件。研究者还鉴定了与甘蔗中C4光合作用途径、糖转运途径、抗病性等相关的关键基因。

该研究攻克了同源多倍体基因组拼接组装的世界级技术难题，率先破译甘蔗S. spontaneum基因组，同时还解析了甘蔗割手密种的系列生物学问题，特别是揭示了甘蔗属割手密种的基因组演化、抗逆性、高糖以及自然群体演化的遗传学基础。

菊属植物种类繁多，又含多种栽培种，兼具观赏和药用价值，且染色体组结构从2n=18到8n=72之间，十分复杂，多年来难以攻破。

中国中医科学院中药研究所所长陈士林研究员及副研究员宋驰博士等利用ONT平台解析了可能代表栽培菊属祖先基因组的二倍体菊花脑基因组，分析表明其演化受重复序列爆发和近期WGD事件的驱动，该基因组复制事件在约38.8个百万年前将菊属和向日葵分化开来；菊花脑观赏及药用性状的变异与包含旁系同源基因组复制事件的基因组家族扩张有关。对菊花脑中扩张的基因家族进行功能注释，发现这些基因功能集中在转移酶活性和萜烯合酶活性等方面，表明这些基因可能与次级代谢产物的生产有关。

研究者还绘制出与重要生物学特征基础通路相关基因的完整编目并分析了参与黄酮类和萜类化合物合成的基因。研究鉴定出了类萜合成酶（TS）基因和多个细胞色素P450依赖的加氧酶（CYP）基因，令人惊讶的是，除了那些已经在其他已测序的真双子叶植物中鉴定出的TS/CYP组合之外，研究者还在菊花中发现了新的组合，如TPS-a/CYP99和TPS-g/CYP79/CYP76等。

2018年发表的三代植物基因组文献（PacBio）

2018年发表的三代植物基因组文献（Nanopore）

参考文献

1. Initiative A G . Analysis of the genome sequence of theflowering plant Arabidopsis thaliana.[J]. Nature, 2000, 408(6814):796-815.

2. Belser C，IstaceB， Denis E, et al.Chromosome-scaleassemblies of plant genomes usingnanopore long reads and optical maps. NaturePlantsvolume 4, pages879–887(2018)

3. Raymond, O. et al. The Rosa genome provides newinsights into the domestication of modern roses. Nature Genetics 50,772-777 (2018).

4. Ling, H.-Q. et al. Genome sequence of theprogenitor of wheat A subgenome Triticumurartu.Nature 557, 424-428(2018).

5. Sun, S. et al. Extensive intraspecific gene order andgene structural variations between Mo17 and other maize genomes. NatureGenetics (2018).

6. Guo L , Winzer T , Yang X , et al. The opium poppy genomeand morphinan production[J]. Science (2018).

7. Zhang, J. et al. Allele-defined genome of theautopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum L.Nature Genetics 50, 1565-1573(2018).

8. Song C., et al. The Chrysanthemum nankingense genome provides insights intothe evolution and diversification of chrysanthemum flowers and medicinaltraits. Mol. Plant(2018).