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安新民教授团队成功构建和解析首个高质量毛白杨单倍型基因组图

来源:        作者:       浏览次数:   发表时间(2021-10-27)

2021922Molecular Ecology Resources 在线发表了北京林业大学林木育种国家工程实验室、林木花卉遗传育种教育部重点实验室安新民教授联合山西省林科院、山东省林科院、北京源宜基因科技股份有限公司、美国佛蒙特大学、美国俄勒冈州立大学共同完成的题为High quality haplotype-resolved genome assemblies of Populus tomentosa Carr., a stabilized interspecific hybrid species widespread in Asia的研究论文,完成了首个毛白杨高质量单倍型基因组组装,揭示了白杨派杨树进化历史中的复制与分化事件,首次从全基因组水平解析了毛白杨的亲本起源。

  

  毛白杨(Populus tomentosa Carr.)是我国重要的乡土白杨派树种,也是我国北方第一大人工林树种,广泛分布在黄河、淮河和海河地区的百万平方公里范围内是该区域生态系统中的重要基石树种。与其它杨树相比,毛白杨具有生长迅速、树干粗直、抗逆性强、寿命长(一般为100-200年,有的超过500等特性。这些优良特性使毛白杨在经济、生态和进化研究方面独具重要价值,成为木本植物遗传进化、杂种优势研究的理想材料。

                                                               毛白杨基因组基本特征

  (a) 毛白杨基因组总览。在38条染色体上,基因组以200 kb的间隔排列。周长上的单位表示Mb值和染色体。① 染色体核型;②GC含量(33.6%。红线指50%,绿线指30%)。③ 重复序列覆盖度(每Mb45-1937条重复序列)。④ 基因密度(每Mb 3-164个基因)。同源区域(1463个基因)共线性分析。(b) 毛白杨基因组中重复类型分布。(c) 预测基因在不同分类注释级别(GO) 中的分布。

  

  该研究以毛白杨优良无性系LM50诱导的花药植株GM15为试材,采用PacBio+Hi-C+Illumina策略进行了测序、de-novo组装与注释获得毛白杨首个高质量的全基因组序列, contig N50scaffold N50 分别达到0.96Mb18.91Mb, 最长contigscaffold分别为5.47Mb46.68Mb, 全基因组大小为740.2Mb, 由两个亚基因组38条染色体组成共编码59,124个蛋白基因。毛白杨全基因组的解析为开展功能基因组学研究、基因编辑、分子设计育种奠定了基础。

  毛白杨与其他杨树的比较基因组分析 (a) 毛白杨和其他三种杨树基因家族的比较(b) 通过共线性的直系同源对和旁同源基因比对同义替代率(Ks)分别推断出柳科物种的种间分化异和杨树的种内分化。(c) 杨柳科的共同的复制事件(Ks = 0.25, ~60 Ma) ,毛白杨从其他杨树中分化出现(Ks = 0.005, ~3.93 Ma) (d) 10种杨树的系统发育进化树(e) 毛白杨基因组与毛果杨基因组的共线性分析

  

  基因组进化分析表明,杨柳科在大约60Mya(Ks≈0.25)经历了一次WGDs事件,在大约48Mya(Ks≈0.12) 杨柳科发生分化;白杨派与青杨派在约13.4Mya发生分化,响叶杨于约9.3 Mya第一个独立于白杨派,银白杨在约4.8 Mya产生了独立变种--新疆杨新疆杨与响叶杨大约在3.93Mya杂交产生了毛白杨,毛白杨的亲本为响叶杨(♀)和新疆杨(♂) 

  毛白杨亚基因组间共线性、染色体结构变异和等位基因Indel分析

  本研究还鉴定了毛白杨两个亚基因组染色体结构变异共15480个,包括INSDELINVTRANSCNV,绝大多数INSDELCNV发生在同源染色体,而TRANSINV在同源、非同源染色体间分布广泛;共检测到188, 575Allele-indels,分布在38条染色体的15,052个等位基因上,大部分indels均匀分布在38条染色体上,高密度indels分布在部分染色体的端粒附近区域。

  

  综上所述,高质量毛白杨全基因组序列的解析,填补了毛白杨基因组测序的空白,从基因组水平揭示了毛白杨的亲本起源,解析了白杨派进化中的复制与分化事件,分析了毛白杨亚基因组染色体结构变异和等位基因Indel,研究结果为开展杨树功能基因组学研究、基因编辑、杂种优势研究以及分子设计育种奠定了基础。

  

  北京林业大学安新民教授、毛建丰教授、北京源宜基因张仁纲博士和美国俄勒冈州立大学Steven H. Strauss教授为本论文的共同通讯作者,安新民教授、高凯博士、陈仲青年研究员为本论文的共同第一作者。 北京林业大学叶梅霞青年研究员、博士生李娟、杨晓宇、Wasif Ullah Khan、季乐翔和Nada Siddig Mustafa以及硕士生周静、郭婷、赵田芸、黄赛、苗得雨、饶翩、雷炳琪、廖维华、王佳等,山西省林科院郭斌副研究员,山东省林科院李善文研究员,北京源宜基因科技股份有限公司云权正硕士,美国佛蒙特大学Stephen R. Keller教授等也参与了该项研究。研究工作得到了国家“十四五”重点研发项目“林木基因编组辑技术研究”、国家科技重大专项 (No. 2018ZX08021002-002-004)和国家自然科学基金项目 (No. 31570661)的共同资助。

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