硬核爆发-希望组2020三代基因组文章集锦-植物篇

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2020年，希望组合作项目好文不断，截止2020年4月，希望组基于三代测序技术的基因组、转录组项目文章已发表17篇，其中不乏Nature Genetics、Nature Plants等高分文章。今天组学君就给大家盘点一下植物方向部分案例文章，为大家解锁发文经典套路！

高质量基因组揭示棉花A亚基因组起源[1]

Genome sequence of Gossypium herbaceumand genome updates of Gossypium arboreum and Gossypium hirsutumprovide insights into cotton A-genome evolution合作单位：武汉大学高等研究院发表期刊：Nature Genetics

影响因子：25.455

发表日期：2020.04.13

三代测序平台：PacBio RSII&Sequel

异源四倍体棉花A亚基因组和D亚基因组的起源一直是科学家想要回答的问题，目前学界公认D亚基因组的供体为雷德蒙氏棉D5，但是A亚基因组的起源仍存在争议，没有确切证据支持其来源于非洲棉A1或亚洲棉A2。本研究利用三代测序技术组装了首个草棉基因组（var. Africanum，A1, n=x=13），并对亚洲棉和陆地棉基因组进行了更新。通过比较基因组分析、基因组进化及群体遗传分析，理清了非洲棉A1、亚洲棉A2和A亚基因组之间的进化关系：A亚基因组与非洲棉A1、亚洲棉A2有着共同的祖先A0（已灭绝），在约1.0−1.6百万年前A0与雷德蒙氏棉D5形成异源四倍体棉花AD，约70万年前A0分化出非洲棉A1与亚洲棉A2（图1）。这一模型的提出结束了许久以来异源四倍体棉花A亚基因组起源的争议，为棉属研究提供了重要理论指导和遗传资源，加快了棉花主要农艺性状的遗传改良进程。

图1 棉花A基因组起源与进化模型（a）和重要进化事件（b）

ONT测序助力攻克首个高质量角苔参考基因组[2]

The hornwort genome and early land plant evolution合作单位：中国科学院植物研究所、福建农林大学、深圳仙湖植物园、比利时根特大学发表期刊：Nature Plants

影响因子：13.297

发表日期：2020.02.10

三代测序平台：Nanopore PromethION

苔藓类包括苔、藓和角苔三大分支，是现存最早的陆生植物，在植物演化过程中代表从水生到陆生的过渡类型。角苔类以其难解的系统位置、独特的形态特征、以及其与细菌、真菌广泛共生的特异现象而备受关注。本研究采用Nanopore+illumina策略，结合系列精细设计的去污染流程，克服细菌内源污染，获得了第一个高质量的角苔参考基因组。通过与其他苔藓植物以及陆生植物的比较基因组分析，确定了苔藓类植物的单系性，角苔是苔和藓的姊妹群，位于苔藓分支的最基部；基因组学分析表明角苔具有与简单的形态结构相适应的低冗余度基因组（图2）；基因家族分析发现了其中与RNA编辑、紫外线保护以及逆境响应相关基因家族的扩张；同时角苔还受益于从土壤细菌和真菌转移而来的基因，丰富了其氧化还原、胁迫响应和代谢相关的基因组分。以上一系列研究揭示了角苔这一类群对陆地环境的适应机制。

图2 芽胞角苔与18个绿色植物的比较基因组分析。a, 基于OrthoMCL的基因家族聚类比较。b, 19个绿色植物的基因家族获得(+)/丢失(-)情况比较，红框标注苔藓类群分支。c, 芽胞角苔、小立碗藓和地钱的全基因组加倍事件分析。

高质量油桐基因组，荣登GPB期刊“封面故事”[3]

Tung Tree (Vernicia fordii) Genome Provides AResource for Understanding Genome Evolution合作单位：中南林业科技大学发表期刊：Genomics, Proteomics & Bioinformatics

影响因子：6.597

发表日期：2020.04.07

三代测序平台：PacBio RSII

油桐（Vernicia fordii）为大戟科油桐属落叶乔木，在我国有1000多年的栽培利用历史，是世界性的木本油料树种。本研究选用高纯合体“葡萄桐”为基因组测序材料，采用Illumina+PacBio RSII测序，组装出大小为1.12 Gb油桐基因组，结合Hi-C技术将95.15%的序列被挂载到11条假染色体上。研究者基于高质量油桐参考基因组，进行了一系列数据分析与挖掘。通过比较基因组学揭示了重复序列爆发所驱动的油桐基因组扩张机制；结合17个不同发育阶段的组织/器官的RNA-seq数据，构建了油桐全基因组尺度的可视化表达谱网站；构建了桐油生物合成全景图，探究油脂合成的复杂机制。油桐基因组的破译，具有重要的科学理论价值和广泛的产业应用价值，本研究以“封面故事”的形式发表在《Genomics, Proteomics &Bioinformatics》。

图3 油桐（a）及其基因组景观（b）

白木香—瑞香科第一个染色体水平基因组[4]

Genome sequence of the agarwood tree Aquilariasinensis (Lour.) Spreng: the first chromosome-level draft genome in theThymelaeceae family合作单位：中国热带农业科学院热带生物技术研究所发表期刊：GigaScience

影响因子：4.688

发表日期：2020.03.02

三代测序平台：Nanopore GridION

图4 白木香（a）及其基因组Hi-C热图（b）

白木香（Aquilaria sinensis (Lour.)）是传统名贵药材和天然香料“沉香”的重要基源植物，良好的医药价值和巨大的经济效益，导致了对白木香的掠夺式采伐，其野生资源已日渐枯竭。本研究采用Illumina+Nanopore GridION X5 +Hi-C策略组装出首个染色体水平白木香基因组，基因组大小726.5 Mb，scaffold N50为88.78 Mb，BUSCO分析结果为95.2%。单拷贝同源基因的系统发育分析表明白木香与可可树及陆地棉亲缘关系较近，其共同祖先在大约53.18-84.37百万年前分化。白木香高质量基因组的发布，为野生白木香种群保护生物学、沉香结香机制和香味基因及树种的进化研究奠定良好基础。

园艺观赏植物文竹染色体水平基因组[5]

Chromosome-level genome assembly,annotation and evolutionary analysis of the ornamental plant Asparagussetaceus合作单位：河南师范大学发表期刊：Horticulture Research

影响因子：3.368

发表日期：2020.04.01

三代测序平台：Nanopore GridION

文竹（Asparagus setaceus）又名山草、云竹、云片松，有“文雅之竹”的美称，是具有极高观赏价值的园艺植物。本研究采用Illumina+Nanopore GridION X5 +10X Genomics+Hi-C策略，完成了710.15 Mb的高质量文竹基因组，contig N50 为1.36 Mb。分析表明文竹基因组包含28,410个编码基因，其中25,649个(90.28%)获得功能注释，重复序列占全基因组的65.59%，且大部分为长末端重复序列。文竹是雌雄同株植物，其近源种芦笋为雌雄异株，进化分析估算，文竹与芦笋在约9.66百万年前发生分化，并且文竹经历了两次全基因组复制事件。对二者基因组的比较研究为植物性染色体的进化研究提供新的线索。另外研究者在文竹基因组中鉴定到762个特异基因家族，96个正向选择基因和76个抗性基因。文竹高质量基因组的完成为天门冬属植物比较基因组研究提供了新的遗传资源，有利于性染色体的演化及天门冬属的演化研究。

图5 文竹高质量基因组。（a）文竹。（b）基于1002个单拷贝直系同源基因的系统发生树。（c）文竹基因组景观。（d）文竹与芦笋基因组线性比较

铁核桃染色体水平基因组[6]
Chromosomal-levelassembly of Juglans sigillata genome using Nanopore, BioNano, and Hi-Canalysis合作单位：南京林业大学、云南省林业和草原研究院经济林研究所发表期刊：GigaScience

影响因子：4.688

发表日期：2020.02.26

三代测序平台：Nanopore GridION

铁核桃（Juglans sigillata）属于壳斗目胡桃科胡桃属，是我国云南省的重要经济树种。铁核桃与栽培种核桃（Juglansregia）亲缘关系密切，在中国西南部核桃与铁核桃表现出显著的同域分布模式，但是针对铁核桃的分子生物学研究较少。研究人员利用Illumina+Nanopore GridION X5组装出 536.50 Mb的铁核桃基因组草图，利用Bionano光学图谱数据将Scaffold N50提升至16.43 Mb，最后结合Hi-C数据将93%的序列挂载到16条假染色体，组装质量远优于大部分近源种参考基因组。基因组注释共预测30,387个编码蛋白基因，整个基因组的50.06%为重复序列。系统发育分析表明，栽培核桃与铁核桃在约49百万年前发生分化。本研究为胡桃科相关物种的基因组研究以及分子育种提供了宝贵的资源。

图6 铁核桃与其近源种基因组比较

2020希望组合作文章列表
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参考文献：

1.     Huang, G. et al. Genome sequence of Gossypium herbaceum andgenome updates of Gossypium arboreum and Gossypium hirsutumprovide insights into cotton A-genome evolution. Nat Genet (2020)doi:10.1038/s41588-020-0607-4.

2.     Zhang, J., Fu, X., Li, R. et al. The hornwort genome and early landplant evolution. Nat. Plants 6, 107–118 (2020).https://xs.scihub.ltd/https://doi.org/10.1038/s41477-019-0588-4

3.     Zhang, L. et al. Tung Tree (Vernicia fordii) Genome ProvidesA Resource for Understanding Genome Evolution and Improved Oil Production.Genomics, Proteomics & Bioinformatics S167202291830216X (2020)doi:10.1016/j.gpb.2019.03.006.

4.     Ding, X. et al. Genome sequence of the agarwood tree Aquilariasinensis (Lour.) Spreng: the first chromosome-level draft genome in theThymelaeceae family. GigaScience 9, giaa013 (2020).

5.     Li, S.-F. et al. Chromosome-level genome assembly, annotation andevolutionary analysis of the ornamental plant Asparagus setaceus. HorticRes 7, 48 (2020).

6.     Ning, D.-L. et al. Chromosomal-level assembly of Juglanssigillata genome using Nanopore, BioNano, and Hi-C analysis. GigaScience 9,giaa006 (2020).

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