基因组专题|药用植物基因组文章盘点~

来源: 安诺基因   2019-9-12   访问量:1236评论(0)

我国拥有丰富的药用植物资源,对药用植物的使用、栽培历史悠久。高通量测序行业的不断发展推动药用植物的研究,加速了传统的研究方法向微观分子水平的转变。近年来,许多药用植物遗传密码被成功破译,如“百草之王”人参、灵芝、罂粟、三七、穿心莲等,基因组的发布将为药用植物相关研究提供便利,小编在这里分享几篇近年发表的药用植物基因组文章,和大家谈谈药用植物基因组的研究思路与方向。


案例 1:黄芩基因组文章

 

文章名称The Reference Genome Sequence of Scutellaria baicalensis Provides Insights into the Evolution of Wogonin Biosynthesis

发表期刊Molecular Plant

发表时间2019年4月

样本选择:黄芩

技术手段:Illumina(116X)+PacBio(117X)+10X Genomics(485X)+Hi-C(140X)测序数据用于基因组组装,RNA-seq测序数据用于基因表达分析


 

组装结果

 

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研究总结


该研究通过组装高质量黄芩基因组,揭示了汉黄芩素生物合成的进化过程。利用Hi-C辅助组装将黄芩基因组挂载到9条染色体上,挂载率为98.04%。通过基因注释28,930个基因,并在黄芩特有的串联重复区内找到数个OMT候选基因,通过酶活及RNAi实验,发现了参与合成黄芩素的酶PFOMT5,解析了汉黄芩素合成途径,为通过合成生物学获取汉黄芩素提供了基础,也为其它唇形科植物的遗传分析提供了参考。


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汉黄芩素生物合成候选PFOMT基因的筛选[1]


案例 2:罂粟基因组文章

 

文章名称The opium poppy genome and morphinan production

发表期刊Science

发表时间:2018年9月

样本选择:罂粟

技术手段:Illumina paired-end 和mate-pair(214X)+10X Genomics(40X)+PacBio(66.8X)+Oxford Nanopore 和人工染色体Illumina测序数据用于基因组组装,7个不同组织RNA-seq测序数据用于基因组织特异性表达分析


组装结果


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研究总结


研究者结合多种测序技术组装获得罂粟高质量染色体水平基因组,挂载率81.6%。对罂粟基因组进行进化及全基因组复制事件分析,发现罂粟基因组在780万年前发生了一次全基因组复制事件。该研究进一步鉴定出罂粟中那可丁和吗啡类生物碱合成途径中15个基因在11号染色体上形成基因簇(BIA基因簇),并结合转录组数据分析发现BIA通路基因在根和茎中特异性表达且共表达,研究揭示了罂粟基因组的复制、重排及基因融合导致了罂粟有效成分合成途径的进化。


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BIA代谢的主要基因在基因组上的排列[2]


案例 3:青蒿基因组文章



文章名称The Genome of Artemisia annua Provides Insight into the Evolution of Asteraceae Family and Artemisinin Biosynthesis

发表期刊Molecular Plant

发表时间:2018年3月

材料选择:青蒿素高产品种——沪蒿1号

技术手段:Illumina+PacBio(260X)+10X Genomics+Hi-C测序数据用于基因组组装,不同组织RNA-seq测序数据用于基因表达分析

 

组装结果


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研究总结

 

青蒿含有倍半萜类、黄酮类、香豆素类等成分,具有极高的药用价值。研究者对高产青蒿素品种进行基因组组装,并进行注释、进化及基因家族扩张分析,发现青蒿中萜类合酶(TPS)基因家族显著扩张,联合基因组学与转录组学分析倍半萜类物质青蒿素相关基因在特定组织中的表达和青蒿素生物合成途径及转录调控网络。另外研究者为了增加青蒿素含量还利用了转基因技术成功培育了高产青蒿素的改良品种,其青蒿素的含量达到了叶片干重的3.2%左右,是常规品种的3倍。同时还发现了多个可能参与青蒿素生物合成的调控基因,为进一步提高青蒿素含量提供了大批候选基因。


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青蒿素相关基因在选定组织中的表达及青蒿素生物合成转录调控网络[3]


案例 4:苦荞基因组文章


文章名The Tartary Buckwheat Genome Provides Insights into Rutin Biosynthesis and Abiotic Stress Tolerance

发表期刊Molecular Plant

发表时间:2017年8

样本选择:苦荞

技术手段:Illumina+PacBio(30.8X)+BioNano+Hi-C(195X)+fosmid(24.8X)测序数据用于基因组组装,不同组织RNA-seq测序数据用于基因表达分析

 

组装结果


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研究总结


苦荞是一种药食同源的植物,具有降低血压、血脂、血糖等功效。该研究主要通过三代测序结合光学图谱、Hi-C等技术构建苦荞高质量染色体水平基因组,安诺基因参与了其中Hi-C研究部分。进化分析发现苦荞在6.4-7千万年前经历了一次独立全基因组复制事件,并发现许多抗逆相关基因得到扩张及保留。基于比较基因组学和转录组学的研究鉴定了芦丁代谢途径中各类酶的基因及调控这些基因表达的转录因子的编码基因。该研究还发现苦荞中可能与植物耐铝、抗旱和耐寒相关的新基因,为进一步完善苦荞芦丁生物合成调控网络及抗逆性研究提供参考。

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芦丁生物合成途径及基因表达量[4]


案例 5:三七基因组文章

 


文章名Whole-Genome Sequencing and Analysis of the Chinese Herbal PlantPanax notoginseng

发表期刊Molecular Plant

发表时间:2017年6月

样本选择Panax notoginseng(Burk.)F.H.Chen(sanqi/tianqi

技术手段:795X Illumina DNA测序数据用于组装,6个不同组织RNA-seq测序数据用于基因组注释


组装结果


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研究总结


研究者利用795X Illumina DNA数据组装完成了高度重复的三七基因组组装。通过对三七基因组注释,发现三七基因组包含14,027个基因家族,其中1,727个是特有的基因家族;从物种进化的角度对三七及其他10个同源物种进行分析,发现三七在91.2百万年前与马铃薯S. tuberosum和甜椒C. annuum产生进化分歧。基因家族收缩与扩张分析发现三七基因组中有1,424个基因家族发生扩张,3,231个基因家族发生收缩。并利用基因组与6个组织部位的转录组数据分析了与萜类合成通路相关的关键功能基因TPS的分类及表达模式,发现其中有10个TPS属于TPS-a1和TPS-b亚家族,利用6个不同组织的转录组数据分析表明这12个TPS基因具有相同的表达模式,研究为人参属的药物成分挖掘提供了新的遗传资源。

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TPS基因比较分析[5]

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TPS基因表达pattern分析[5]

 

总结

 

通过以上5篇药用植物基因组文章案例,小编总结了药用植物基因组研究的方向主要包括:

1. 研究药用植物基因组结构特征及物种进化地位

2. 探究药用植物中关键代谢物质合成途径及调控网络

3. 挖掘药用植物对生物逆境和非生物逆境适应的分子机制

4. 研究农业育种上优良性状的调控基因与驯化历史


参考文献:

[1] Qing Zhao, et al. The Reference Genome Sequence of Scutellaria baicalensis Provides Insights into the Evolution of Wogonin Biosynthesis[J]Molecular Plant. 2019.

[2] Li Guo,et al.The opium poppy genome and morphinan production[J]Science. 2018.

[3] Qian Shen, et al. The Genome of Artemisia annua Provides Insight into the Evolution of Asteraceae Family and Artemisinin Biosynthesis[J]Molecular Plant. 2018.

[4] Lijun Zhang, et al.The Tartary Buckwheat Genome Provides Insights into Rutin Biosynthesis and Abiotic Stress Tolerance[J]Molecular Plant. 2017.

[5] Wei Chen, et al.Whole-Genome Sequencing and Analysis of the Chinese Herbal Plant Panax notoginseng[J]Molecular Plant. 2017. 



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