Nature Plants | 本氏煙草完整基因組已被報道

2024年11月14日，北京大學(xué)現代農業(yè)研究院郭立研究員團隊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，在國際著(zhù)名期刊Nature Plants上在線(xiàn)發(fā)表。

文章通過(guò)構建本氏煙草端粒到端粒無(wú)缺口基因組，對本氏煙草進(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(zhù)絲粒序列及其表觀(guān)特征，豐富了我們對本氏煙草基因組進(jìn)化和著(zhù)絲粒演化過(guò)程的認識。

文章標題：The complete genome assembly of?Nicotiana benthamiana?reveals the genetic and epigenetic landscape of centromeres

合作單位：北京大學(xué)現代農業(yè)研究院

發(fā)表期刊：Nature Plants

研究對象：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，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。本氏煙草憑借其對病毒的易感性和在瞬時(shí)基因表達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(pán)生物。因此，解析本氏煙草的基因組密碼對促進(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(wàn)年-600萬(wàn)年雜交形成，之后基因組演化形成現今的19對染色體。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)缺口與組裝注釋錯誤，嚴重影響了對這一模式生物的功能基因組學(xué)的研究進(jìn)程。

著(zhù)絲粒是負責細胞分裂過(guò)程中染色體平均分配給子細胞的基因組關(guān)鍵區域，也被稱(chēng)為基因組的暗物質(zhì)區域。因其高度復雜并富含重復序列，著(zhù)絲粒的序列很難被測序和破譯。近年來(lái)隨著(zhù)測序技術(shù)和生物信息算法的快速發(fā)展，包括人類(lèi)、擬南芥、酵母在內的多個(gè)模式生物以及玉米、水稻、辣椒、生菜等作物的著(zhù)絲粒特征逐漸被揭示。這豐富了我們對這些基因組暗物質(zhì)的認知，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。然而，我們對生物界著(zhù)絲粒的結構和進(jìn)化理解仍然處在初期，絕大多數生物的著(zhù)絲粒區域仍未解析。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)歷了復制、重排和結構變異等事件，在此過(guò)程中著(zhù)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(wèn)題的解答提供了一個(gè)理想的模型。

研究結果

研究團隊首先采用單分子測序技術(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)相結合策略，構建了T2T無(wú)缺口的本氏煙草基因組（2.85 Gb），實(shí)現所有染色體的完整分型組裝（圖1），并鑒定到所有19個(gè)著(zhù)絲粒和38個(gè)端粒，contig N50值達到146.4 Mb。隨后的質(zhì)量評估表明該基因組具有很高的堿基準確性和組裝完整性。

研究團隊還進(jìn)一步基于著(zhù)絲粒特異結合蛋白CENH3的ChIP-seq數據，確定了本氏煙草基因組的完整著(zhù)絲粒序列，并揭示了其著(zhù)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(zhù)絲粒（以L(fǎng)TR/Gypsy反轉錄轉座子為主）不同，本氏煙草著(zhù)絲粒不僅有Gypsy序列，而且存在大量的衛星（Satellite）DNA的重復陣列，暗示這些著(zhù)絲粒特異的衛星重復序列是在本氏煙草中新出現的（圖2）。經(jīng)過(guò)仔細分析，研究團隊證明了本氏煙草著(zhù)絲粒衛星陣列可能起源于核糖體DNA的基因間間隔序列。

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

最后，該研究提出一個(gè)模型來(lái)解釋本氏煙草著(zhù)絲粒的進(jìn)化，即本氏煙草基因組在多倍化后通過(guò)新著(zhù)絲粒形成、衛星序列擴展、反轉錄轉座子的富集和NUMT整合而實(shí)現著(zhù)絲粒進(jìn)化（圖1），豐富了我們對于茄科植物和多倍體植物著(zhù)絲粒演化的認知。

研究總結

該研究公布了模式植物本氏煙草的T2T無(wú)缺口基因組，并揭示了其著(zhù)絲粒的全景結構及其表觀(guān)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(pán)植物在生物技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應用。

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