2022-11-14
●《Frontiers in Plant Science》●
影響因子：6.627
江蘇省農業科學院在生物學領域《Frontiers in Plant Science》發表新研究成果！本研究通過De novo測序獲得了單瓣茉莉基因組。基于單瓣茉莉基因組并結合轉錄組、代謝組數據對基因組進化、非生物脅迫和芳香化合物的生物合成展開研究，對理解單瓣茉莉耐高溫、花發育以及芳香氣味形成的分子機制具有重要意義。
01、研究背景
茉莉花（Jasminum sambac（L.）Aiton）是木犀科下的一種二倍體（2n=2x=26）常綠觀賞植物。它是許多國家最重要的商業花卉植物品種之一，廣泛用于花束、觀賞、茶葉、化妝品和香水。茉莉花植物通常表現出單瓣、雙瓣或多瓣表型。其中，J. sambac品種“單瓣茉莉”（JSDB，單瓣表型）是中國種植的主要品種之一，其花被認為是最芳香的。芳香花含有一種被稱為“茉莉花香”的精油，富含低分子量芳香化合物，其中最突出的是苯類、苯丙類和萜類。然而，茉莉中芳香化合物生物合成的分子機制仍不十分清楚，需要進一步探索。
隨著全球變暖的進展，熱脅迫正在成為對環境和植物種群的威脅。單瓣茉莉是一種常綠植物，在炎熱的夏季溫度38°C以上也可開花。因此，闡明茉莉花耐高溫脅迫的分子機制十分重要，這將有助于理解茉莉花對高溫條件的適應性。茉莉花品種的特點是不同的花表型，從單瓣花到多瓣花。這些差異不僅對花的形態有顯著影響，而且還影響花香，因為花瓣有助于產生香氣成分。獲得單瓣茉莉的基因組資源，對于了解花香味生物合成基因與開花期間的香味釋放二者的聯系至關重要。
02、研究材料與方法
1.實驗材料
單瓣茉莉植物嫩葉
2.測序平臺
Illumina+PacBio
3.分析內容
基因組組裝與注釋、比較基因組分析、芳香化合物分析、熱脅迫響應及芳香復合物生物合成基因的鑒定等。
03、研究結果
1. 基因組大小和雜合度測定
使用流式細胞術對測序所用同一個體的新鮮葉片分析，確定單瓣茉莉的基因組大小為583Mb（圖1A）。此外，還通過二代數據進行survey分析，估計了單瓣茉莉的基因組大小和雜合率。結果顯示，17- mer分布頻率的主峰出現在Depth=84處，survey評估基因組大小為555.45 Mb，雜合率為0.84%(圖1B)。
圖1 流式細胞與survey結果圖
2. 單瓣茉莉基因組測序和組裝
單瓣茉莉基因組測序共生成了54.7 Gb（~98x）二代數據和15.9 Gb（~28x）三代數據。基因組組裝得到521 Mb的基因組草圖，占survey評估基因組大小的~94%，contig和scaffold的N50長度分別為145.43 kb和145.53 kb（表1），完整比對的BUSCO占比為95.0%。
表1 單瓣茉莉基因組組裝統計
3. 基因組注釋
基于從頭注釋和同源注釋的方法，組裝的單瓣茉莉基因組中有49.01%被鑒定為重復序列。重復序列中的大多數是轉座元件（TEs）（占基因組的48.64%）。在鑒定的主要類型的TEs中，長末端重復反轉錄轉座子（LTR-RTs）占比最大（占基因組的20.56%）。未分類重復序列數量居第二位，占基因組的20.24%（表2）。除了LTR和未分類重復序列，6.14%的基因組被注釋為DNA轉座子，1.70%被注釋為長散在重復序列（LINEs）。
結合同源注釋、從頭注釋和轉錄組輔助注釋，最終注釋到35,363蛋白質編碼基因，平均轉錄本長度3,323.1bp，平均編碼序列長度1025.3bp，平均每個基因4.8個外顯子。在注釋的基因中，有29,921個（84.6%）的基因根據5個數據庫進行了功能分類。
表2 單瓣茉莉基因組重復元件統計
4. 比較基因組分析
為了研究單瓣茉莉的進化關系和獨特性狀，通過對單瓣茉莉和其它14種植物基因組進行比較分析。從單瓣茉莉中共鑒定出61個特有的基因家族，包括519個基因。對單瓣茉莉、油橄欖和桂花基因組的比較分析表明，這些木犀科物種共有12,001個基因家族，而單瓣茉莉基因組共有540個特有的基因家族（圖2A）。此外，4DTv分析結果表明單瓣茉莉經歷了一次古老的WGD事件（圖2B）。
基于352個單拷貝基因的系統發育分析表明，單瓣茉莉與桂花和油橄欖關系密切。單瓣茉莉約在31.1Mya與桂花及油橄欖發生分化。木犀科物種與野生番茄的分化大約在65.8Mya。此外，還發現1,541個基因家族經歷了擴張，5,124個基因家族經歷了收縮（圖2C）。
圖2 單瓣茉莉基因組進化和比較分析
5. 熱脅迫相關基因鑒定
為了揭示單瓣茉莉的耐熱機制，本研究共鑒定92個轉錄因子和206個基因等熱脅迫響應基因。發現了單瓣茉莉和向日葵中的一組基因相較于擬南芥都發生了擴增，包括DREB2、NAC、SPLs、HSP等基因。此外，在17個Hsf基因中鑒定出三個在熱反應中充當主要調節因子的HsfA1（圖3）。HsfA1s和DREB2A表現出相同的表達模式，它們在S1階段都具有高的表達水平。
圖3 單瓣茉莉和擬南芥基因組中Hsf轉錄因子系統發育分析
6. 苯類/苯丙素類生物合成相關基因鑒定
為了建立生物合成基因與花香發育之間的聯系，使用代謝組學方法來確定在花的三個發育階段合成的芳香化合物。根據HSSPME/GC-MS組合分析，共鑒定了50多種芳香化合物。
結果表明，苯類化合物/苯丙素類化合物是花香揮發性有機化合物（VOCs）的主要成分。研究鑒定了16個涉及莽草酸途徑的基因，以及13個涉及苯丙酮酸和arogenate途徑的基因（圖4A）。
在單瓣茉莉基因組中共檢測到19個BEAT基因（圖4A），其中兩個基因是由WGD事件產生的，10個來自串聯重復。轉錄組分析顯示，contig913.g1在S1發育階段顯示高表達水平，而contig898.g5在S2階段高表達（圖4B）。水楊酸甲酯也被確定為單瓣茉莉花VOCs的主要成分，發現其存在于S2和S3階段。
圖4 苯類/苯丙素類生物合成通路
7. 參與萜類物質生物合成的基因鑒定
研究發現萜類化合物是單瓣茉莉產生的第二大類VOC化合物，因此確定了MEP和MVA途徑中涉及的基因。結果表明，參與兩種途徑的基因，包括HDR和HMGR，都是由WGD事件產生的。在MVA和MEP途徑中，萜類合酶（TPSs）負責生成萜類化合物的最終催化反應。在單瓣茉莉基因組上，鑒定了31個TPSs。系統發育分析結果表明，這些TPS基因分為五個離散組，即TPS-a（6）、TPS-b（12）、TPS-c（6），TPS-e/f（4）和TPS-g（3）（圖5A）。芳樟醇被確定為單瓣茉莉芳香化合物中單萜烯的主要成分，并在S3階段積累。在基因組中鑒定了兩個芳樟醇合成酶基因，每個基因都在S1階段高度表達（圖5B）。此外，研究還鑒定了三個石竹烯合成酶基因，其中，contig2155.g2和contig1096.g3于S2階段的高表達水平，而contig445.g1在S3階段高表達（圖5B）。
圖5 TPS基因表達與系統發育分析
04 、結 論
本研究通過De novo測序分析獲得了單瓣茉莉的基因組草圖，新組裝的基因組將為進一步研究抗非生物脅迫、芳香化合物的生物合成和基因組進化提供堅實的基礎。此外，該基因組將有助于更全面地了解熱脅迫耐受性、花的發育及其氣味形成的分子機制。
本研究的De novo測序組裝、比較基因組分析和轉錄組測序分析由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。如需進一步討論，歡迎發郵件或者致電我們喲（郵箱地址：[email protected]，聯系電話：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.
