用微信扫码二维码

分享至好友和朋友圈

180+篇植物基因组文章解读大全

第四章 豆科

地表最强植物基因组文献解读，正在继续。科技君和小伙伴们特地对植物基因组领域已发的180多篇高质量文章进行收集、解读和归类，经归纳整理后共分十章，前九章为相关领域已发表物种文献解读，最后一章为植物基因组未来发展趋势及预测。

第三章往期回顾

★

金冠苹果 ◆ 甜樱桃 ◆ 桃树 ◆ 栽培草莓 ◆ 砀山梨

苹果 ◆ 森林草莓

导读

上世纪80年代末的一首《鲁冰花》伴随着80、90后的我们一路成长，歌曲里这样唱到“夜夜想起妈妈的话，闪闪的泪光鲁冰花”。但你知道“鲁冰花”其实是一种豆类的别称吗？

鲁冰花又叫“羽扇豆”，是蔷薇目、豆科、羽扇豆属植物。今天解读的狭叶羽扇豆（Lupinus angustifolius L.）就是羽扇豆的一种。一年生草本，花冠蓝色、淡蓝色，偶为淡紫色，原产自地中海区域，在国外是一种重要的豆科粮食作物。第四章豆科第一期，科技君就将带领大家一同探寻“鲁冰花”基因组。

狭叶羽扇豆

文献题目：A comprehensive draft genome sequence for lupin(Lupinus angustifolius), an emerging health food: insights into plant–microbe interactions and legume evolution

发表期刊： Plant Biotechnology Journal

发表时间：2016年

影响因子：7.443

摘要介绍：

研究者对高蛋白和高膳食纤维的新型健康食品植物狭叶羽扇豆进行了测序，组装出的基因组大小约609Mb，重复序列含量57%，基因注释得到33,076个基因，通过增加其他标记和表型性状位点，结合原来的遗传图谱构建了更高密度的遗传连锁图谱，结合组装结果将scaffold铆钉到连锁群。

羽扇豆在豆科里比较特殊，虽然有固氮功能但并不形成菌根，研究发现羽扇豆丢失了所有菌根特异性的基因，但是却保留了菌根化和结节必须的基因。另外，通过基因组研究也筛选出了羽扇豆重要疾病抗性相关的候选基因，同时也发现羽扇豆在2500万年前发生了全基因组三倍化的事件。

研究背景：

狭叶羽扇豆在20世纪早期，由德国最先开始栽培，到1960s澳大利亚首次培植出低生物碱含量，不易落粒，开花早的品种。从此，狭叶羽扇豆被20多个国家广泛种植。狭叶羽扇豆蛋白含量40%–45%，膳食纤维含量25%–30%，且具有低脂高碳水化合物的特点，常被制作成面粉用作面包的添加剂，它能增加饱腹感和减少胰岛素耐受性，在肥胖和糖尿病发生率增高的当今社会非常有价值。

羽扇豆与其它豆类农作物相比进化位于蝶形花亚科的基部，是研究豆类植物进化的好模型。羽扇豆是重要的栽培豆类，同时它又与大多数豆类不同，它参与固氮作用，但不存在菌根（真菌与植物根的共生体），羽扇豆基因组的破译对研究豆类植物进化史、分析与菌根和根瘤形成相关的基因、筛选抗病性相关的候选基因和分子育种等有很大帮助。

内容简析

研究问题：

1. 豆类进化；

2. 为什么有固氮功能但不形成菌根；

3. 炭疽病抗病机制；

4. 为什么开花早。

研究方向：

1. 获取基因组图谱

2. 豆类进化研究；

3. 羽扇豆与根瘤菌的共生关系探讨；

4. 炭疽病抗病机制研究；

5. 开花早的机制研究。

研究难点：

当时全基因组组装可使用的方法有限；

研究意义：

1. 狭叶羽扇豆基因组图谱的构建，为后续育种打下基础。

2. 解析植物与根瘤菌共生互作的机理。

3. 为培育具有高产、优质、抗病等优良性状的羽扇豆打下良好基础。

研究亮点：

1. 与其他豆类以及自身共线性比较，确定羽扇豆的三倍化复制事件；

2. 解析植物与固氮菌共生互作的机理；

3. 抗病和开花早机制研究。

研究方法

研究对象：狭叶羽扇豆；

所用软件：

1. SOAPdenovo2、2. SSPACE2、3. GapCloser、4. AUGUSTUS、5. GENSCAN、6. GLEAN、7. Cufflinks、8. RepeatMasker、9. Tandem Repeats Finder、10. ProteinPilot、11. MAFFT 、12. OrthoMCL、13. BEDTools、14. SAMtools、 15. TopHat、16. Bowtie、17. FastTree；

所用数据：

狭叶羽扇豆NLL (cultivar Tanjil)基因组测序数据、cv Unicrop和P27255转录组测序数据、cv Tanjil已发表的转录组数据、早期培育品种83A:476和野生种P27255重测序数据。

所用数据库：

Interpro 、KEGG、 GO 、UniProt 、Repbase等数据库；

研究成果

1.狭叶羽扇豆基因组

组装出609Mb的基因组，contig N50：45.6Kb，scaffold N50：703Kb, 结合denovo预测，同源注释和转录组辅助注释，共鉴定出约33,076个基因，基因组重复序列含量57%（图1），基因组组装长度的77.2%的序列锚定到连锁群。

图1 羽扇豆的全基因组组成特征及重测序差异显示分布图

Whole genome characteristic of narrow‐leafed lupin and Unicrop,

83A:476, P27255 sequence variability view

2.豆科植物比较基因组研究

对另外两个羽扇豆品种：早期培育品种83A:476和野生种P27255进行51.5-59.29×重测序，分析SNP和InDel，野生种P27255在全基因组区域与组装出的参考羽扇豆有显著的差异，共检测到216,167 indels和3,053,917 SNPs。而栽培中的比对分析则显示出更少的差异。

通过计算直系同源基因的同义突变积累变化，分析出羽扇豆和其它蝶形花亚科豆类植物的分离时间为~54.6Mya前，在~24.6Mya前发生了全基因组三倍化事件（图2）。

图2 羽扇豆的全基因组三倍化

whole-genome triplication of narrow‐leafed lupin

3. 抗炭疽病机制研究

羽扇豆主要受到炭疽杆菌(Colletotrichum lupini)的危害，而之前的研究发现栽培品系Tanjil由于在11号连锁群上带有一个单显性抗性基因（Lanr1），获得了对炭疽病的抗性。在这篇文章的研究中，利用新的高密度遗传图谱， Lanr1被精确地定位到Scaffold_133，在侧翼标记LaDArT_PAV20595和LaDArT_PAV25221 之间。

该区域跨度大概388Kb, 包含41个基因(Lup005013.1-Lup005054.1)，将两个RIL群体的四个父母本中的抗性基因Lup005042.1进行比较，发现该基因在两个栽培种中显示高度的保守性，而在两个野生种中则有相当大的差异，因此Lup005042.1可以作为Lanr1基因的一个好的候选基因。

4. 无菌根特点分析

豆类是典型的能与其他生物保持共生关系的物种，如根瘤菌属和慢性根瘤菌属都能从豆科植物根毛侵入根内形成根瘤，并在根瘤内成为分枝的多态细胞，称为类菌体。大多数豆类植物都有菌根和根瘤，这种共生系统能够参与植物固氮，但是羽扇豆却不存在菌根。

研究人员在狭叶羽扇豆基因组中发现，它保留了与菌根和根瘤形成相关的一些基因，涉及到根瘤菌植物共生体，生物合成，植物激素转运和调节等，但是丢失了菌根必须的关键的特异性基因，包括SbtM1、SbtM3、HA1、EXO70I、RAM2、PT4、STR1、STR2、RAM1、ERF1、RAD1、DIP1、FatM、KIN2、KIN3、KIN5、RFCb和CYT733A1（图三）。

图3 蒺藜苜蓿与狭叶羽扇豆根瘤菌和菌根相关的基因总结

Overview of genes associated with arbuscular mycorrhizal and rhizobial associations in the genomes of Medicago truncatula and narrow‐leafed lupin

5. 花期特征解析

狭叶羽扇豆有个比较重要的特征是开花时间早。 研究发现大部分存在于双子叶植物中的与控制开花时间控制、光信号相关的基因和基因家族狭叶羽扇豆中都有，值得注意的是某些基因在狭叶羽扇豆的基因组中发生了缺失，包括红光感受器基因PHYE。

更显著的是FT基因家族，之前的研究已经表明FTa1、FTb类基因对其他豆类的开花时间的控制起到作用，然而这两类基因在狭叶羽扇豆基因组里都没有。通过与其他豆类基因组的共线性分析和狭叶羽扇豆的转录组数据分析中也未发现这两类基因。

【参考文献】

James K. Hane et al (2016). " A comprehensive draft genome sequence for lupin (Lupinus angustifolius), an emerging health food: insights into plant–microbe interactions and legume evolution." Plant Biotechnology Journal (2016), pp. 1–13.

点击下方 “阅读原文” ，查看文献！

撰稿：大项目部-明瑶

编辑：市场部

猜你喜欢

动植物重测序40元/G，大样本不犯愁

《Nature》首现汉字！我国主导3000份水稻基因组重测序成果发表

解读 | 3000份水稻重测序为“geng”稻正名

安徽农业大学、华大基因研究团队破解中国种茶树全基因组密码

解读 | 《PNAS》茶树基因组研究思路分析

近期热文

测得了万年化石，又何惧陈年FFPE

星光熠熠！诺奖得主、华人神探、知名教授都来为“她”庆生！

分析+案例，免疫组库发高分！

动植物重测序40元/G，大样本不犯愁

请继续关注“华大科技BGITech”公众号，

科技君将一如既往地为您提供精彩内容！

如有相关问题，欢迎后台留言~~

▼

关注华大科技，尽享精彩科研！

特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.