黄花棘豆全基因组测序及其与内生真菌Alternaria oxytropis共生关系的研究

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黄花棘豆(Oxytropis ochrocephala Bunge)隶属豆科棘豆属,是一种多年生草原毒害草,其能够与内生真菌Alternaria oxytropis共生。因该种内生菌产生一种生物碱苦马豆素(swainsonine,SW)而使植株带有毒性,牲畜尤其是马或羊误食后会造成其中毒甚至死亡,给畜牧业发展造成了严重影响。目前,关于棘豆属植物的物种进化背景以及黄花棘豆与内生真菌A.oxytropis共生关系的研究仍处于探索阶段,而且棘豆属植物一直缺乏基因组资源,限制了相关研究的顺利进行。因此,本研究综合利用Illumina、Oxford Nanopore(ONT)以及染色体构象捕获技术(Hi-C)对黄花棘豆进行了全基因组de novo测序与组装,获得了一个高质量染色体水平的黄花棘豆基因组,接着借助比较基因组学方法解析了黄花棘豆的物种进化背景;最后,使用有参转录组学分析方法,探究了黄花棘豆与内生真菌A.oxytropis在共生与非共生状态下差异基因表达以及功能富集情况,进一步解析了双方的共生关系。本研究的主要结果如下:(1)基因组调研分析(K-mer分析)以及流式细胞术结果表明,黄花棘豆(2n=16)基因组大小在780 Mb~914 Mb左右,杂合率~0.43%,重复序列比例~66.47%,GC含量~38.34%,推测黄花棘豆是一种高重复的复杂基因组,因此后续使用三代+二代的测序方法对其进行深度测序与分析。(2)全基因组的测序、组装以及注释结果表明,黄花棘豆基因组大小为958.83Mb,经Hi-C辅助基因组组装后97.09%(930.94 Mb)的组装序列被挂载到8条染色体且这些序列能够确定顺序和方向,contig N50为1.40 Mb,scaffold N50为121.79 Mb,经基因组注释后共预测到31,700个编码蛋白质的基因、75.66%的重复序列、104个mi RNA、1,477个r RNA、852个t RNA,31,218个(98.48%)蛋白质编码基因得到功能注释。(3)比较基因组学研究表明,黄花棘豆大约于42.62百万年前分化出来,其与蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)、大豆(Glycine max)具有较近的亲缘关系。黄花棘豆与蒺藜苜蓿之间基因的共线性关系更好,但染色体之间发生了部分片段的重排,经功能注释发现这些重排的基因主要参与代谢途径。基因家族扩张与收缩分析表明,黄花棘豆基因组中收缩的基因家族有6,938个,扩张的基因家族有1,862个,其中快速扩张的基因家族有62个(p<0.01),对快速扩张的基因家族功能富集发现其主要参与了核苷酸切除修复、DNA的复制、同源重组、代谢过程、细胞过程等。Ks分析表明,黄花棘豆同蒺藜苜蓿一样,在进化过程中均发生了一次全基因组加倍事件(WGD事件)。(4)黄花棘豆与内生真菌A.oxytropis共生与非共生样品的有参转录组学分析表明,黄花棘豆与内生真菌A.oxytropis共生后,双方在共生状态下的基因表达模式相比于非共生状态均存在显著差异。对于黄花棘豆而言,其在与内生真菌共生后差异基因以上调表达模式为主,功能富集发现参与植物——病原菌相互作用以及防御相关的差异基因被大量诱导上调表达,如CML(钙调蛋白或类钙调蛋白)、WRKY转录因子、CYP450基因家族以及与角质、木栓碱和蜡生物合成等相关基因发生了上调表达。这些基因的表达模式反映内生真菌A.oxytropis共生于黄花棘豆体内之后,可能会给植物生长发育以及环境适应带来了间接益处。对于内生真菌而言,其在黄花棘豆体内共生时,参与脂肪酸代谢、氮代谢以及降解细胞壁相关的差异基因也被大量诱导上调表达,这样内生真菌通过自身调节以及与植物传递营养物质来维持双方的共生关系,这也反映了黄花棘豆对内生真菌A.oxytropis有益的作用。
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