Nature Plants | 本氏煙草完整基因組已被報(bào)道

2024年11月14日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院郭立研究員團(tuán)隊(duì)的本氏煙草完整基因組研究成果以“The complete genome assembly of?Nicotiana benthamiana?reveals the genetic and epigenetic landscape of centromeres”為題，在國(guó)際著名期刊Nature Plants上在線發(fā)表。

文章通過構(gòu)建本氏煙草端粒到端粒無缺口基因組，對(duì)本氏煙草進(jìn)行了亞基因組分型，進(jìn)一步確定林煙草（N. sylvestris）和漸狹葉煙草（N. attenuata）最可能是其二倍體祖先物種。研究還深入解析了異源四倍體本氏煙草的著絲粒序列及其表觀特征，豐富了我們對(duì)本氏煙草基因組進(jìn)化和著絲粒演化過程的認(rèn)識(shí)。

文章標(biāo)題：The complete genome assembly of?Nicotiana benthamiana?reveals the genetic and epigenetic landscape of centromeres

合作單位：北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院

發(fā)表期刊：Nature Plants

研究對(duì)象：本氏煙草

百邁客生物為該研究提供了PacBio HiFi、Hi-C、Illumina和RNA-seq測(cè)序服務(wù)。

研究背景

本氏煙草（Nicotiana benthamiana）是一年生茄科煙草屬植物，原產(chǎn)于澳大利亞北部地區(qū)，和用于制作香煙的普通煙草（N. tabaccum）是近緣物種。本氏煙草最為人知的是作為植物學(xué)和合成生物學(xué)研究的模式植物。本氏煙草憑借其對(duì)病毒的易感性和在瞬時(shí)基因表達(dá)的便利性成為了植物科學(xué)家的“寵兒”，同時(shí)它也是植物天然產(chǎn)物和疫苗異源合成的重要底盤生物。因此，解析本氏煙草的基因組密碼對(duì)促進(jìn)植物科學(xué)研究和生物制藥產(chǎn)業(yè)具有重要的價(jià)值。本氏煙草是異源四倍體，由兩個(gè)二倍體祖先在距今500萬年-600萬年雜交形成，之后基因組演化形成現(xiàn)今的19對(duì)染色體。本氏煙草基因組約為2.85Gb，其草圖最早發(fā)表于2012年，之后的12年間多個(gè)改進(jìn)版本的本氏煙草基因組陸續(xù)公布，組裝質(zhì)量有了很大提升，但仍然存在多個(gè)缺口與組裝注釋錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響了對(duì)這一模式生物的功能基因組學(xué)的研究進(jìn)程。

著絲粒是負(fù)責(zé)細(xì)胞分裂過程中染色體平均分配給子細(xì)胞的基因組關(guān)鍵區(qū)域，也被稱為基因組的暗物質(zhì)區(qū)域。因其高度復(fù)雜并富含重復(fù)序列，著絲粒的序列很難被測(cè)序和破譯。近年來隨著測(cè)序技術(shù)和生物信息算法的快速發(fā)展，包括人類、擬南芥、酵母在內(nèi)的多個(gè)模式生物以及玉米、水稻、辣椒、生菜等作物的著絲粒特征逐漸被揭示。這豐富了我們對(duì)這些基因組暗物質(zhì)的認(rèn)知，為疾病研究和治療、作物單倍體育種、人工染色體合成等前沿科學(xué)提供理論指導(dǎo)。然而，我們對(duì)生物界著絲粒的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化理解仍然處在初期，絕大多數(shù)生物的著絲粒區(qū)域仍未解析。此外，多倍體生物例如四倍體本氏煙草、四倍體馬鈴薯、六倍體小麥等，基因組經(jīng)歷了復(fù)制、重排和結(jié)構(gòu)變異等事件，在此過程中著絲粒如何演化和維持功能也有待闡明。異源四倍體的本氏煙草為這些問題的解答提供了一個(gè)理想的模型。

研究結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)首先采用單分子測(cè)序技術(shù)（HiFi，116.7x?+ ONT ultra-long，47.9x），Hi-C（150x）和Bionano（329.6x）光學(xué)圖譜等多種技術(shù)相結(jié)合策略，構(gòu)建了T2T無缺口的本氏煙草基因組（2.85 Gb），實(shí)現(xiàn)所有染色體的完整分型組裝（圖1），并鑒定到所有19個(gè)著絲粒和38個(gè)端粒，contig N50值達(dá)到146.4 Mb。隨后的質(zhì)量評(píng)估表明該基因組具有很高的堿基準(zhǔn)確性和組裝完整性。

研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步基于著絲粒特異結(jié)合蛋白CENH3的ChIP-seq數(shù)據(jù)，確定了本氏煙草基因組的完整著絲粒序列，并揭示了其著絲粒全景特征。令人驚訝的是，與辣椒和馬鈴薯等茄科作物的著絲粒（以LTR/Gypsy反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子為主）不同，本氏煙草著絲粒不僅有Gypsy序列，而且存在大量的衛(wèi)星（Satellite）DNA的重復(fù)陣列，暗示這些著絲粒特異的衛(wèi)星重復(fù)序列是在本氏煙草中新出現(xiàn)的（圖2）。經(jīng)過仔細(xì)分析，研究團(tuán)隊(duì)證明了本氏煙草著絲粒衛(wèi)星陣列可能起源于核糖體DNA的基因間間隔序列。

此外，在著絲粒組蛋白CENH3優(yōu)先占據(jù)的區(qū)域，Gypsy反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和核基因組線粒體插入序列（NUMT）廣泛侵入本氏煙草著絲粒，表明這些DNA元件在著絲粒功能中起著至關(guān)重要的作用。有趣的是，NUMT在本氏煙草著絲粒中的插入具有很強(qiáng)的亞基因組偏好性，并且主要與母體著絲粒周圍有關(guān)。亞基因組分析表明，衛(wèi)星陣列的出現(xiàn)可能推動(dòng)了多倍體后著絲粒的形成（圖2）。

最后，該研究提出一個(gè)模型來解釋本氏煙草著絲粒的進(jìn)化，即本氏煙草基因組在多倍化后通過新著絲粒形成、衛(wèi)星序列擴(kuò)展、反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的富集和NUMT整合而實(shí)現(xiàn)著絲粒進(jìn)化（圖1），豐富了我們對(duì)于茄科植物和多倍體植物著絲粒演化的認(rèn)知。

研究總結(jié)

該研究公布了模式植物本氏煙草的T2T無缺口基因組，并揭示了其著絲粒的全景結(jié)構(gòu)及其表觀遺傳特征，該研究成果具有里程碑意義。本氏煙草完整基因組的破譯不但為植物科學(xué)研究提供了重要的遺傳資源，也將促進(jìn)本氏煙草作為模式和底盤植物在生物技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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