Molecular Ecology Resources | 黃花棘豆基因組學和共生及產(chǎn)毒機制獲得進展

文章標題：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：Molecular Ecology Resources

研究物種：黃花棘豆

研究方法：基因組、轉(zhuǎn)錄組、重測序、代謝組

百邁客生物為其提供了基因組測序及組裝技術(shù)服務。

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，牲畜誤食后導致中毒甚至死亡，對畜牧業(yè)發(fā)展造成了嚴重影響。

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：黃生棘豆無菌幼苗、黃生棘豆及其內(nèi)生菌共生苗、棘豆鏈格孢菌；每個材料3個生物學重復；

重測序：從中國3個省13個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測序技術(shù)以及Hi-C技術(shù)測序組裝獲得一個高質(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個蛋白質(zhì)編碼基因。利用三代Nanopore和二代Illumina測序技術(shù)測序組裝獲得一個高質(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個蛋白質(zhì)編碼基因。

2.黃花棘豆及A.oxytropis基因組進化和全基因組復制分析

黃花棘豆基因組進化分析顯示，其大約于42.62百萬年前分化出來，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個基因家族發(fā)生收縮，1,862個基因家族發(fā)生擴張，在進化過程中發(fā)生了一次WGD事件。A.oxytropis基因組進化分析顯示，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)進化分析發(fā)現(xiàn)，有14個目的真菌均含有該基因簇?；贗TS系統(tǒng)進化分析發(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

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代謝相關(guān)；對內(nèi)生真菌而言，其在寄主體內(nèi)共生時，參與脂肪酸代謝、氮代謝以及降解細胞壁相關(guān)的差異基因被大量誘導上調(diào)表達，同時共生誘導了大量SW合成基因的上調(diào)表達。

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的SW合成通路，進一步分析顯示，一個編碼P5CR的基因位于SWN簇上，也包含在SWN的全長序列中。對從中國3個省13個地理位置采集的黃花棘豆種分離的41株A.oxytropis的重測序分析顯示，一個位點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SW生物合成基因進行了細化。41株A.oxytropis的重測序分析找到與SW含量相關(guān)位點，轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)了與宿主的防御和次級代謝相關(guān)的差異表達基因(DEGs)。在內(nèi)生菌中，DEGs與細胞壁降解、脂肪酸和氮代謝有關(guān)。共生關(guān)系誘導了大部分SW生物合成基因的上調(diào)。