2022-11-14
●《Frontiers in Plant Science》●
影响因子：6.627
江苏省农业科学院在生物学领域《Frontiers in Plant Science》发表新研究成果！本研究通过De novo测序获得了单瓣茉莉基因组。基于单瓣茉莉基因组并结合转录组、代谢组数据对基因组进化、非生物胁迫和芳香化合物的生物合成展开研究，对理解单瓣茉莉耐高温、花发育以及芳香气味形成的分子机制具有重要意义。
01、研究背景
茉莉花（Jasminum sambac（L.）Aiton）是木犀科下的一种二倍体（2n=2x=26）常绿观赏植物。它是许多国家最重要的商业花卉植物品种之一，广泛用于花束、观赏、茶叶、化妆品和香水。茉莉花植物通常表现出单瓣、双瓣或多瓣表型。其中，J. sambac品种“单瓣茉莉”（JSDB，单瓣表型）是中国种植的主要品种之一，其花被认为是最芳香的。芳香花含有一种被称为“茉莉花香”的精油，富含低分子量芳香化合物，其中最突出的是苯类、苯丙类和萜类。然而，茉莉中芳香化合物生物合成的分子机制仍不十分清楚，需要进一步探索。
随着全球变暖的进展，热胁迫正在成为对环境和植物种群的威胁。单瓣茉莉是一种常绿植物，在炎热的夏季温度38°C以上也可开花。因此，阐明茉莉花耐高温胁迫的分子机制十分重要，这将有助于理解茉莉花对高温条件的适应性。茉莉花品种的特点是不同的花表型，从单瓣花到多瓣花。这些差异不仅对花的形态有显著影响，而且还影响花香，因为花瓣有助于产生香气成分。获得单瓣茉莉的基因组资源，对于了解花香味生物合成基因与开花期间的香味释放二者的联系至关重要。
02、研究材料与方法
1.实验材料
单瓣茉莉植物嫩叶
2.测序平台
Illumina+PacBio
3.分析内容
基因组组装与注释、比较基因组分析、芳香化合物分析、热胁迫响应及芳香复合物生物合成基因的鉴定等。
03、研究结果
1. 基因组大小和杂合度测定
使用流式细胞术对测序所用同一个体的新鲜叶片分析，确定单瓣茉莉的基因组大小为583Mb（图1A）。此外，还通过二代数据进行survey分析，估计了单瓣茉莉的基因组大小和杂合率。结果显示，17- mer分布频率的主峰出现在Depth=84处，survey评估基因组大小为555.45 Mb，杂合率为0.84%(图1B)。
图1 流式细胞与survey结果图
2. 单瓣茉莉基因组测序和组装
单瓣茉莉基因组测序共生成了54.7 Gb（~98x）二代数据和15.9 Gb（~28x）三代数据。基因组组装得到521 Mb的基因组草图，占survey评估基因组大小的~94%，contig和scaffold的N50长度分别为145.43 kb和145.53 kb（表1），完整比对的BUSCO占比为95.0%。
表1 单瓣茉莉基因组组装统计
3. 基因组注释
基于从头注释和同源注释的方法，组装的单瓣茉莉基因组中有49.01%被鉴定为重复序列。重复序列中的大多数是转座元件（TEs）（占基因组的48.64%）。在鉴定的主要类型的TEs中，长末端重复反转录转座子（LTR-RTs）占比最大（占基因组的20.56%）。未分类重复序列数量居第二位，占基因组的20.24%（表2）。除了LTR和未分类重复序列，6.14%的基因组被注释为DNA转座子，1.70%被注释为长散在重复序列（LINEs）。
结合同源注释、从头注释和转录组辅助注释，最终注释到35,363蛋白质编码基因，平均转录本长度3,323.1bp，平均编码序列长度1025.3bp，平均每个基因4.8个外显子。在注释的基因中，有29,921个（84.6%）的基因根据5个数据库进行了功能分类。
表2 单瓣茉莉基因组重复元件统计
4. 比较基因组分析
为了研究单瓣茉莉的进化关系和独特性状，通过对单瓣茉莉和其它14种植物基因组进行比较分析。从单瓣茉莉中共鉴定出61个特有的基因家族，包括519个基因。对单瓣茉莉、油橄榄和桂花基因组的比较分析表明，这些木犀科物种共有12,001个基因家族，而单瓣茉莉基因组共有540个特有的基因家族（图2A）。此外，4DTv分析结果表明单瓣茉莉经历了一次古老的WGD事件（图2B）。
基于352个单拷贝基因的系统发育分析表明，单瓣茉莉与桂花和油橄榄关系密切。单瓣茉莉约在31.1Mya与桂花及油橄榄发生分化。木犀科物种与野生番茄的分化大约在65.8Mya。此外，还发现1,541个基因家族经历了扩张，5,124个基因家族经历了收缩（图2C）。
图2 单瓣茉莉基因组进化和比较分析
5. 热胁迫相关基因鉴定
为了揭示单瓣茉莉的耐热机制，本研究共鉴定92个转录因子和206个基因等热胁迫响应基因。发现了单瓣茉莉和向日葵中的一组基因相较于拟南芥都发生了扩增，包括DREB2、NAC、SPLs、HSP等基因。此外，在17个Hsf基因中鉴定出三个在热反应中充当主要调节因子的HsfA1（图3）。HsfA1s和DREB2A表现出相同的表达模式，它们在S1阶段都具有高的表达水平。
图3 单瓣茉莉和拟南芥基因组中Hsf转录因子系统发育分析
6. 苯类/苯丙素类生物合成相关基因鉴定
为了建立生物合成基因与花香发育之间的联系，使用代谢组学方法来确定在花的三个发育阶段合成的芳香化合物。根据HSSPME/GC-MS组合分析，共鉴定了50多种芳香化合物。
结果表明，苯类化合物/苯丙素类化合物是花香挥发性有机化合物（VOCs）的主要成分。研究鉴定了16个涉及莽草酸途径的基因，以及13个涉及苯丙酮酸和arogenate途径的基因（图4A）。
在单瓣茉莉基因组中共检测到19个BEAT基因（图4A），其中两个基因是由WGD事件产生的，10个来自串联重复。转录组分析显示，contig913.g1在S1发育阶段显示高表达水平，而contig898.g5在S2阶段高表达（图4B）。水杨酸甲酯也被确定为单瓣茉莉花VOCs的主要成分，发现其存在于S2和S3阶段。
图4 苯类/苯丙素类生物合成通路
7. 参与萜类物质生物合成的基因鉴定
研究发现萜类化合物是单瓣茉莉产生的第二大类VOC化合物，因此确定了MEP和MVA途径中涉及的基因。结果表明，参与两种途径的基因，包括HDR和HMGR，都是由WGD事件产生的。在MVA和MEP途径中，萜类合酶（TPSs）负责生成萜类化合物的最终催化反应。在单瓣茉莉基因组上，鉴定了31个TPSs。系统发育分析结果表明，这些TPS基因分为五个离散组，即TPS-a（6）、TPS-b（12）、TPS-c（6），TPS-e/f（4）和TPS-g（3）（图5A）。芳樟醇被确定为单瓣茉莉芳香化合物中单萜烯的主要成分，并在S3阶段积累。在基因组中鉴定了两个芳樟醇合成酶基因，每个基因都在S1阶段高度表达（图5B）。此外，研究还鉴定了三个石竹烯合成酶基因，其中，contig2155.g2和contig1096.g3于S2阶段的高表达水平，而contig445.g1在S3阶段高表达（图5B）。
图5 TPS基因表达与系统发育分析
04 、结 论
本研究通过De novo测序分析获得了单瓣茉莉的基因组草图，新组装的基因组将为进一步研究抗非生物胁迫、芳香化合物的生物合成和基因组进化提供坚实的基础。此外，该基因组将有助于更全面地了解热胁迫耐受性、花的发育及其气味形成的分子机制。
本研究的De novo测序组装、比较基因组分析和转录组测序分析由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎发邮件或者致电我们哟（邮箱地址：genomesupport@personalbio.cn，联系电话：025-56165883-835）！
文章索引：
Qi X, Wang H, Chen S, et al. The genome of single-petal jasmine (Jasminum sambac) provides insights into heat stress tolerance and aroma compound biosynthesis[J]. Frontiers in Plant science, 2022, 13:1045194. doi: 10.3389/fpls.2022.1045194.
