摘要概述

A high-quality, chromosome-scale Tartary buckwheat genome sequence of 489.3 Mb is assembled. A new buckwheat lineage-specific whole genome duplication is discovered. The reference genome facilitated the identification of many new genes predicted to be involved in rutin biosynthesis and regulation,aluminum stress resistance, and in drought and cold stress responses.

研究背景

苦蕎也叫苦蕎麥（Fagopyrum tataricum）是蓼科蕎麥屬作物，雖然我們習(xí)慣認(rèn)為它屬于麥類，但其實(shí)他并非禾本科而是蓼科?？嗍w性喜陰濕冷涼，多種植于高山地域，一般垂直分布為海拔1200～3500m。所以苦蕎具有很高的抗逆性，尤其是在抗寒和抗干旱方面。苦蕎是藥食兩用的作物，苦蕎麥性味苦、平、寒, 有益氣力、續(xù)精神、利耳目、降氣寬腸健胃的作用。能降血壓、降血糖、降血脂, 改善微循環(huán)等作用, 又稱“三降”食品。其主要藥用成分為蘆丁，該文章也對蘆丁的生物合成進(jìn)行了研究。

測序材料

韃靼蕎麥（Fagopyrum tataricum cv. Pinku1），2n=2X=16；

測序方法

Illumina、BioNano、PacBio、Hi-C、fosmid

研究內(nèi)容

1.基因組組裝和注釋
苦蕎通過K-mer預(yù)估基因組大小約為489Mb，流式細(xì)胞儀預(yù)估為540Mb。共組裝出來489.3Mb的基因組序列，共8778個Contigs，Contig N50=550.7kb。通過Hi-C數(shù)據(jù)將436.4Mb的序列錨定到8條染色體上（定位比例為89.18%）。然后再通過光學(xué)圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。三代數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性通過二代評估為99.96%，并且在基因區(qū)具有更少的錯誤存在。

共預(yù)測得到33366個基因，平均每100Kb具有6.8個基因。非編碼RNA注釋結(jié)果為278 miRNAs, 1,395 tRNAs, 455 rRNAs, and 518 snRNAs。通過注釋已組裝基因組的50.96%為重復(fù)序列，其中LTR的比例占全基因組的38.64，包含Gypsy (30.52%) 和 Copia (5.48%)。

圖1 苦蕎基因組circle圖

2.系統(tǒng)發(fā)育和全基因組復(fù)制事件分析
苦蕎與擬南芥、可可、大豆、葡萄、楊樹、馬鈴薯、番茄以及單子葉的水稻和玉米構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹，見下圖。此外還進(jìn)行基因家族聚類分析，找出共同和特有的基因家族。

圖2 苦蕎系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹

通過苦蕎與擬南芥、苦蕎與甜菜進(jìn)行分析，通過Ks計(jì)算發(fā)現(xiàn)苦蕎經(jīng)歷了全基因組復(fù)制事件，近期是在下圖0.84-0.92之間，而更古老的一次復(fù)制發(fā)現(xiàn)在64.42~70.77 Mya。而全基因組復(fù)制事件的發(fā)生，也導(dǎo)致了很多與抗逆相關(guān)基因家族的擴(kuò)張或者保留。這也與后期苦蕎的抗逆性有一定關(guān)系。

圖3 苦蕎全基因組復(fù)制事件

3.參與蘆丁合成基因的鑒定
蘆丁的生物合成具有特殊的意義，而苦蕎被認(rèn)為是這種有益的類黃酮的主要食物來源。苦干蕎麥營養(yǎng)生物質(zhì)中含有3%的蘆丁。通過比較基因組以及不同生長部位的轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)原來所不知道的全長蛋白CHI(FtPinG0002790600)和f3h(FtPinG0006662600)。

圖4 蘆丁生物合成途徑的研究

4.苦蕎抗逆性研究
該研究還發(fā)現(xiàn)苦蕎中存在大量與植物耐鋁、抗旱和耐寒相關(guān)的新基因，其中產(chǎn)物包括一些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。

小編總結(jié)

本文研究了苦蕎的基因組測序，除了三代測序還通過光學(xué)圖譜和Hi-C技術(shù)進(jìn)一步提升基因組的組裝質(zhì)量。通過比較基因組學(xué)研究明確了苦蕎的系統(tǒng)發(fā)育地位，以及通過全基因組復(fù)制事件的研究發(fā)現(xiàn)了抗逆基因的擴(kuò)張和保留。其中結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序?qū)μJ丁的生物合成途徑進(jìn)行了研究。

該研究由山西農(nóng)科院農(nóng)作物品種資源研究所喬治軍研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所梁承志研究員團(tuán)隊(duì)及華南農(nóng)農(nóng)業(yè)大學(xué)王俊教授團(tuán)隊(duì)共同完成，其中百邁客只參與了其中部分研究，再次祝賀各位老師取得好的成績。

參考文獻(xiàn)

The Tartary buckwheat genome provides insights into rutin biosynthesis and abiotic stress tolerance.