近期，河北大學生命科學學院杜會龍團隊在Horticulture Research（IF=8.70）上發表了題為The genome of okra (Abelmoschus esculentus) provides insights into its genome evolution and high nutrient content的關於黃秋葵基因組研究的論文。基於PacBio HiFi和Hi-C輔助組裝技術，研究人員構建了一個高質量的秋葵參考基因組，對黃秋葵中擴張基因家族與環境適應的關係和錦葵科物種中廣泛存在的古老WGD事件進行深度探究，同時，結合轉錄組和代謝組聯合分析，闡釋了黃秋葵生物活性物合成的關鍵調節基因。該研究對黃秋葵功能基因組學的研究和進化提供了寶貴的資源。鸿运国际(中国)提供二代/三代建庫測序、Hi-C建庫測序服務。
研究背景
秋葵（Abelmoschus esculentus L.）屬於錦葵科一年生植物，因其獨特的外形，也被稱為「美人指」，廣泛分佈在熱帶和亞熱帶地區。秋葵含有豐富多樣的營養物質，具有藥食兩用的特性，常食秋葵具有保護皮膚抗氧化、健胃消食、調理腸胃、清空肝毒、增強人體免疫功能的效果。然而，雖然秋葵享有「蔬菜之王」的美譽，但人們對其高營養價值背後的機制知之甚少。因此，構建秋葵基因組，解析秋葵優質性狀背後的分子機制和遺傳機制，探究秋葵的進化驅動和環境適應是急需解決的科學問題。
研究結果
高質量秋葵基因組的構建
通過58.66Gb的高準度HiFi長讀長數據和55.18Gb的Hi-C數據，研究人員構建了一個1.19Gb大小的高質量秋葵基因組。該基因組共由128個Contig組成，Contig N50達到16.98Mb，錨定了96.96%的組裝序列，Busco評估高達99.0%。此外，研究人員從組裝的65條染色體中鑑定到117個端粒重複區域，其中53條染色體可以檢測到雙端粒序列的存在。綜上，這是一個具有高連續性、準確性和完整性的秋葵基因組。此外，通過對基因組特徵的分析，該基因組被清晰地分成了兩個亞基因組：基因組A（含有30條染色體）和基因組B（含有35條染色體），且在A基因組中發現了大量的轉座元件TEs（55.59%）和長末端重複序列LTR（32.26%）。
秋葵基因組的組裝
秋葵基因組進化與全基因組複製
通過對112個單拷貝同源基因構建的系統發育樹分析表明，秋葵與洋麻是12.8百萬年前的共同祖先分化而來的，秋葵自身A、B亞基因組的偏離發生在5.4百萬年前，且這兩個基因組之間發生過多次裂變和融合，這可能導致了它們染色體數目的差異。基因家族分析表明，秋葵A、B亞基因組分別擴張了3,083和2,427個基因家族，其中分別檢測到105（A）和66（B）個快速擴張的基因家族。A快速擴張基因家族對於生長素響應、細胞壁修飾等方面具有重要作用，B家族高度匹配晝夜節律和光合作用相關通路。因此，研究人員推測A、B基因家族的功能多樣化可能為秋葵高度的營養合成和環境適應能力提供了遺傳基礎。接着，對錦葵科的全基因組複製事件研究表明，秋葵一共經過了4次不同的WGD事件，2次為秋葵特有，1次為秋葵、洋麻、木芙蓉共同經歷，1次為錦葵科共有。在此基礎上，研究人員根據雙子葉植物祖先染色體核型，深度揭示了錦葵科物種中廣泛存在的WGD事件，並繪製了錦葵科的核心演化圖譜。
錦葵科植物廣泛的全基因組複製和核型進化
秋葵主要活性物潛在合成機制的剖析
最後，為揭示秋葵主要活性物質及其潛在生物合成機制，研究人員對不同發育階段和不同部位的秋葵樣本進行了轉錄組和代謝組分析。研究發現，秋葵中含量最高的化合物是類黃酮，佔所有代謝物的33.11%，其次為酚酸和生物鹼，此外，代謝物含量在不同的發育階段和器官中會表現出特定的分佈模式。轉錄本分析鑑定到37,493個差異表達基因，這些基因被分為了8個具有不同表達模式的合集；其中，在成熟的豆莢中發現大量與次級生物合成相關基因的高表達，例如苯丙氨酸的生物合成和代謝等。進一步的聯合分析表明，由2,306個差異表達基因組成的模塊與芥子酸（關鍵的酚酸）的含量具有顯著相關性，同源基因分析表明該模塊中的參與芥子酸合成的關鍵基因在秋葵中具有更高的拷貝數。因此，結合芥子酸的抗氧化、抗癌和消炎作用，研究人員推測次生代謝產物，例如芥子酸等的高度生物活性，對於秋葵的高營養價值做出了突出的貢獻。
轉錄組和代謝組解析芥子酸的生物合成途徑
研究總結
本研究通過PacBio HiFi高通量測序數據與Hi-C輔助組裝技術獲得了一個高質量的秋葵基因組。結合現有的基因組資源，研究人員構建了錦葵科物種的系統發育關係以及進化歷史，同時，揭示了錦葵科物種廣泛存在的WGD事件，並繪製了錦葵科核型演化圖譜。另外，通過轉錄組與代謝組學聯合分析，研究人員揭示了秋葵不同發育階段基因表達與營養物質動態變化的關係。總之，本研究為錦葵科進化研究、秋葵功能基因組學研究及其品種改良提供了重要數據資源和理論參考。
參考文獻
Ruyu Wangand others, The genome of okra (Abelmoschus esculentus) provides insights into its genome evolution and high nutrient content, Horticulture Research, 2023; uhad120,http://doi.org/10.1093/hr/uhad120
