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植物@我科学家组装全球首个染色体级别高质量山苍子基因组图谱


【植物@我科学家组装全球首个染色体级别高质量山苍子基因组图谱】 科技日报采访人员 马爱平 通讯员 宋平 王舒琦
近日 ， 中国林业科学研究院在《自然—通讯》杂志在线发表重要成果：The Litsea genome and the evolution of the laurel family 。 该项研究成功组装全球首个染色体级别的高质量山苍子基因组图谱 ， 并基于此揭示樟科物种进化及其精油合成的分子机制 。 中国林科院亚林所副研究员陈益存、博士赵耘霄、助理研究员高暝 ， 比利时根特大学博士李臻后 ， 华南农业大学博士王洁雨 ， 清华大学博士刘可为是论文共同第一作者 ， 中国林科院亚林所研究员汪阳东 ， 台湾成功大学教授蔡文杰、福建农林大学教授刘仲健、根特大学教授Yves为共同通讯作者 。
山苍子是我国南方家喻户晓的一种香树 ， 其果实有香气 ， 无毒 ， 可治疗急性肺炎 ， 有抗病毒抗菌消炎作用 。 我国山苍子栽培面积21.60万亩 ， 精油年产量14.01万吨 ， 为世界上最大的生产国和出口国 ， 每年产生的经济价值约20亿元 。
植物@我科学家组装全球首个染色体级别高质量山苍子基因组图谱
本文插图

（图为山苍子花 陈炳华/拍摄）
山苍子作为木兰类分支樟目樟科的代表种之一 ， 鲜果皮精油含量高达到4~7% ， 单萜化合物含量高达98% 。 实际上 ， 山苍子所属的樟科植物普遍富含丰富的单萜化合物 ， 即樟脑、桉叶油醇、柠檬醛等 。 樟科植物是我国南方重要的经济和生态树种 ， 全国约有20属 ， 423种 ， 在材用、药用、香料、医药上都占有重要的经济价值 。
汪阳东研究员介绍 ， 樟科花小、花序形态多样、存在双性花和单性花 ， 使得其形态演变及进化位置研究困难；樟科特殊香味关键化合物合成机理尚不清楚 。 因此 ， 从基因组水平探讨樟科的进化、花形态演变分子证据及特殊香味的遗传基础 ， 对揭示樟科植物的生物学特性、应用推广及遗传育种具有指导作用 。
植物@我科学家组装全球首个染色体级别高质量山苍子基因组图谱
本文插图

（图为山苍子萜类合酶系统发育分析及功能验证）
2016年10月 ， 中国林业科学研究院亚林所研究团队启动了山苍子基因组测序项目 。 经过3年多努力 ， 完成项目 ， 获得了大小为1.37G ， contig N50为607.34kb的基因组 。 通过Hi-C技术 ， 他们进一步将基因组锚定到24条染色体上 ， 锚定率94.56% ， 获得质量优良的山苍子基因组图谱 。
樟科花序形态特征是樟科分类的一个重要依据 。 通常 ， 樟科花序有圆锥花序、穗状花序、总状花序、伞形花序 。 陈益存副研究员介绍 ， 基于山苍子基因组及樟科13属28个物种花器官的转录组数据 ， 研究发现 ， 一个高度保守的参与花序形态发生的基因PETAL LOSS（FUWA）所构建的花序系统发育与樟科物种的系统进化对应 ， 揭示了樟科花序从穗状花序、穗状圆锥花序向聚伞形圆锥花序、假伞形花序 ， 到伞形花序演变的规律 。
山苍子和樟科树种特有的香味从何而来？研究团队在高质量基因组图谱基础上 ， 解析了关键化合物形成的分子机制 。 芳樟醇、桉叶油醇、柠檬醛、α/β蒎烯、莰烯、香叶醇等单萜化合物是樟科精油的主要成分 ， 如山苍子精油中单萜化合物高达98% 。 单萜化合物决定了精油的品质 ， 具有抗病毒、消炎和杀菌的作用 。 通过比较基因组分析发现 ， 单萜合酶Mono-TPS在樟科发生了显著扩张 。 单萜合酶主要催化单萜化合物合成 。 为进一步挖掘调控主要单萜化合物合成的关键基因 ， 团队采用同源和异源瞬时表达 ， 以及体外酶活验证 ， 鉴定了调控樟科及山苍子精油主要化合物合成的关键酶基因LcuTPS42 。
“目前 ， 对樟科植物果实精油及精油主要成分单萜化合物的生物合成机理尚不清楚 ， 制约了樟科植物精准育种 。 为此 ， 汪阳东团队选择樟科果实精油含量最丰富的物种——山苍子为研究对象 ， 构建了山苍子全基因组图谱 ， 并结合樟科20属47代表种低盖度基因组测序数据和16属23代表种混合组织和花苞转录组测序数据 ， 揭示了单萜合酶基因家族在樟科中的演化 ， 有效促进了樟科植物单萜化合物多样性和特异性 ， 对揭示樟科植物的生物学特性、指导樟科遗传育种研究特别是加速分子育种进程具有指导作用 。 ”中国科学院院士、中国水稻研究所研究员钱前评价说 。


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