《Nature Genetics》 百邁客助力破譯同源四倍體甘蔗基因組

日前，福建農(nóng)林大學(xué)基因組研究中心明瑞光課題組首次完成了同源多倍體甘蔗基因組密碼的破譯，該研究成果”Allele-defined genome of the autopolyploid sugarcane?Saccharum spontaneum?L.”于2018年10月8日刊登在Nature Genetics上。本文的通訊作者為明瑞光教授，第一作者為張積森教授。
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栽培甘蔗的單倍型個(gè)體S.spontaneum“AP85-441”(1n = 4x = 32) 進(jìn)行基因組denovo測(cè)序研究。
64份甘蔗（Saccharum spontaneum）群體材料進(jìn)行遺傳多樣性研究。

二代280-bp和500-bp(PE) 小片段文庫(kù)（Illumina HiSeq 2500）
BAC文庫(kù)（Illumina HiSeq 2500，PE250）；三代大片段文庫(kù)~20kb SMRTbellTM（PacbioRSII）
Hi-C文庫(kù)（HindIII酶切），500-700bp小片段文庫(kù)（HiSeqX ten，PE150）

甘蔗基因組denovo
利用BAC文庫(kù)進(jìn)行二代測(cè)序，ALLPATH-LG,SPAdes 和SOAPdenovo2進(jìn)行初步組裝，進(jìn)一步利用87X 三代PacBio數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)，CANU進(jìn)行組裝，組裝基因組3.13G，contigN50=45 kb（流式評(píng)估基因組大小：3.36G）；通過(guò)Hi-C染色體掛載技術(shù)，針對(duì)多倍體染色掛載新算法ALLHIC，進(jìn)一步將contig水平提升至染色體水平，掛載率達(dá)到93%；通過(guò)BUSCO和二代數(shù)據(jù)回比評(píng)估基因組完整性高達(dá)97.3%。再通過(guò)MAKER對(duì)同源多倍體甘蔗特異等位基因進(jìn)行手動(dòng)注釋，以獲得高質(zhì)量的甘蔗基因組

基礎(chǔ)染色體數(shù)目的減少
AP85-441基因組的組裝顯示了S.spontaneum的染色體數(shù)目從10降到8，而這與頻繁復(fù)制的古復(fù)制染色體對(duì)相關(guān)，通過(guò)與高粱的聚類比對(duì)，發(fā)現(xiàn)高粱祖先5染色體和8號(hào)染色體同源物經(jīng)歷了染色體裂變（圖2）。SbChr05（A12）的祖先染色體斷裂分為兩個(gè)主要部分，即C5S（A12S）和C5L（A12L），分別轉(zhuǎn)移到SbChr06（A2）和SbChr07（A5）的祖先染色體；SbChr8（A11）的祖先染色體斷裂為兩個(gè)主要的部分，即C8S（A11S）和C8L（A11L），分別轉(zhuǎn)移到SbChr09（A6）和SbChr02（A7+ A9）的祖先染色體中。SbChr8和SsChr5之間及SbChr5和SsChr7之間近乎同源的短片段是在高粱與甘蔗分化前，高粱SSA形成于13.4MYA同源基因的殘留物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，S5中較小的SSA區(qū)域和S8中SSA的較大區(qū)域在重排的AP85-441基因組中也是保守的。

S.spontaneum的多倍體化分析
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)了甘蔗（Saccharum spontaneum?L.）染色體由高粱（Sorghum）演變進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)歷了染色體斷裂與融合后，發(fā)生了兩次WGD事件（圖3）；對(duì)甘蔗的基因組的多倍化研究中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)兩次全基因組復(fù)制事件的發(fā)生，導(dǎo)致了甘蔗染色體的自發(fā)加倍過(guò)程；對(duì)同源多倍體甘蔗的特異等位基因的鑒定作為本研究的另一亮點(diǎn)，文章在鑒定等位基因的同時(shí)，進(jìn)一步分析研究了等位基因的表達(dá)模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同單倍型表達(dá)模式相似，并無(wú)明顯差異；對(duì)甘蔗C4光合作用的研究中鑒定了24個(gè)基因，7種關(guān)鍵酶參與NADP-MEC4途徑；在甘蔗中蔗糖對(duì)的積累的研究中發(fā)現(xiàn)與高粱相比甘蔗中的液泡膜糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（TSTs，一種蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）發(fā)生了基因家族的擴(kuò)張，所以推測(cè)TSTs參與蔗糖在液泡中的積累；S.spontaneum為現(xiàn)代栽培甘蔗提供了抗病性基因，在對(duì)其研究中發(fā)現(xiàn)，甘蔗中的80％的NBS編碼基因位于四個(gè)重排染色體（Ss02，Ss05，Ss06和Ss07）上，其中51％位于重排區(qū)域。

S.spontaneum的起源與遺傳多樣性分析
通過(guò)對(duì)64份甘蔗（Saccharum spontaneum）群體材料遺傳多樣性研究，發(fā)現(xiàn)其具有廣泛的自然部分范圍，遍及亞洲，印度次大陸，地中海和非洲，且自然種群具有廣泛的表型，遺傳和倍性水平多樣性（圖4）。研究發(fā)現(xiàn)，與高粱相比具有大規(guī)模染色體重排的S. spontaneum區(qū)域具有比非重排區(qū)域更高的遺傳多樣性，并且可能經(jīng)歷了更強(qiáng)的平衡選擇。雖然幾條單獨(dú)的染色體沒(méi)有顯示出顯著差異，但是比較所有染色體上的平均值顯示重排區(qū)域中的核苷酸多樣性（0.00025±0.00003）遠(yuǎn)高于非重排區(qū)域中的核苷酸多樣性（0.00021±0.00001），染色體重排區(qū)域的Tajima’s D（-0.659±0.052）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非重排區(qū)（-0.720±0.011），重排區(qū)的SNP密度(360.27±48.41) 高于非重排區(qū)域（297.46±12.65, P=0.001798）；此外，GO富集顯示，染色體非重排區(qū)主要富集到與基本生命周期，光合作用，呼吸作用和ATP合成的通路上。重排區(qū)主要富集在GO生物合成和代謝，跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和離子結(jié)合通路上。