Molecular Ecology Resources | 黃花棘豆基因組學(xué)和共生及產(chǎn)毒機(jī)制獲得進(jìn)展

文章標(biāo)題：Assembly of high-quality genomes of the locoweed?Oxytropis ochrocephala?and itsendophyte?Alternaria oxytropis?provides new evidence for their symbiotic rela-tionship and swainsonine biosynthesis

期刊名稱(chēng)：Molecular Ecology Resources

研究物種：黃花棘豆

研究方法：基因組、轉(zhuǎn)錄組、重測(cè)序、代謝組

百邁客生物為其提供了基因組測(cè)序及組裝技術(shù)服務(wù)。

研究背景

黃花棘豆(Oxyvropis ochrocephala Bunge)隸屬于豆科棘豆屬，為二倍體(2n=16)多年生植物，是我國(guó)草原危害最大的毒害草之一。其能夠與內(nèi)生真菌棘豆鏈格孢菌Alfernaria oxytropis共生，因該內(nèi)生真菌合成生物堿苦馬豆素(swainsonine,SW)而使植株帶有毒性，牲畜誤食后導(dǎo)致中毒甚至死亡，對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。

材料與方法

基因組：黃花棘豆；253.39 Gb Illumina+301.02 Gb Nanopore+330.17Gb Hi-C；棘豆鏈格孢菌；4.40 Gb Illumina+10.09 Gb Nanopore；

轉(zhuǎn)錄組：黃生棘豆無(wú)菌幼苗、黃生棘豆及其內(nèi)生菌共生苗、棘豆鏈格孢菌；每個(gè)材料3個(gè)生物學(xué)重復(fù)；

重測(cè)序：從中國(guó)3個(gè)省13個(gè)地理位置采集的黃花棘豆中分離的41株棘豆鏈格孢菌；19x：代謝組：LC-MS；

代謝組：41株棘豆鏈格孢菌苦馬豆素含量測(cè)定

研究結(jié)果

1.黃花棘豆及A.oxytropis基因組組裝注釋

作者利用三代Nanopore、二代Illumina測(cè)序技術(shù)以及Hi-C技術(shù)測(cè)序組裝獲得一個(gè)高質(zhì)量染色體水平的黃花棘豆基因組：其基因組大小為930.94 Mb,contig N50為1.40 Mb，scaffold N50為121.79 Mb，共注釋到31,700個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。利用三代Nanopore和二代Illumina測(cè)序技術(shù)測(cè)序組裝獲得一個(gè)高質(zhì)量的棘豆鏈格孢菌基因組：其基因組大小為74.48 Mb,contig N50為8.87Mb,共注釋到10,657個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。

2.黃花棘豆及A.oxytropis基因組進(jìn)化和全基因組復(fù)制分析

黃花棘豆基因組進(jìn)化分析顯示，其大約于42.62百萬(wàn)年前分化出來(lái)，且與蒺藜苜蓿、大豆具有較近的親緣關(guān)系。黃花棘豆與蒺藜苜蓿之間基因的共線性關(guān)系更好，但染色體發(fā)生了部分片段的重排，這些重排的基因主要參與代謝途徑。黃花棘豆基因組中6,938個(gè)基因家族發(fā)生收縮，1,862個(gè)基因家族發(fā)生擴(kuò)張，在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了一次WGD事件。A.oxytropis基因組進(jìn)化分析顯示，A.oxytropis與同屬的其他真菌聚在一起，與不同屬中產(chǎn)苦馬豆素的真菌相比，A.oxytropis具有該物種最豐富的特有基因家族，主要與代謝途徑相關(guān)?；赟W合成基因簇的關(guān)鍵基因swnK的系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，有14個(gè)目的真菌均含有該基因簇。基于ITS系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，Altemaria屬內(nèi)產(chǎn)苦馬豆素(含有swnK基因)的物種聚在一起，與不含swnK基因的物種分離。

3.黃花棘豆與A.oxytropis基因表達(dá)

黃花棘豆與A.oxytropis共生/非共生狀態(tài)下的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，對(duì)寄主而言，其與內(nèi)生真菌共生后差異基因主要與防御以及次級(jí)代謝相關(guān)；對(duì)內(nèi)生真菌而言，其在寄主體內(nèi)共生時(shí)，參與脂肪酸代謝、氮代謝以及降解細(xì)胞壁相關(guān)的差異基因被大量誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)，同時(shí)共生誘導(dǎo)了大量SW合成基因的上調(diào)表達(dá)。

4.A.oxytropis遺傳變異影響苦馬豆素含量

該研究豐富了前期推測(cè)的SW合成通路，進(jìn)一步分析顯示，一個(gè)編碼P5CR的基因位于SWN簇上，也包含在SWN的全長(zhǎng)序列中。對(duì)從中國(guó)3個(gè)省13個(gè)地理位置采集的黃花棘豆種分離的41株A.oxytropis的重測(cè)序分析顯示，一個(gè)位點(diǎn)SNP19996與SW含量相關(guān)。

研究總結(jié)

作者構(gòu)建了高質(zhì)量黃花棘豆基因組(958.83Mb)，及其共生真菌A.oxytropis基因組(74.48Mb,contig N508.87Mb)，并對(duì)SW生物合成基因進(jìn)行了細(xì)化。41株A.oxytropis的重測(cè)序分析找到與SW含量相關(guān)位點(diǎn)，轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)了與宿主的防御和次級(jí)代謝相關(guān)的差異表達(dá)基因(DEGs)。在內(nèi)生菌中，DEGs與細(xì)胞壁降解、脂肪酸和氮代謝有關(guān)。共生關(guān)系誘導(dǎo)了大部分SW生物合成基因的上調(diào)。