2023年8月26日，Plant Communications在線發表了河北大學杜會龍教授團隊題為 「The haplotype-resolved genome assembly of autotetraploid rhubarb Rheum officinale provides insights into the genome evolution and massive accumulation of anthraquinones」的研究論文。該研究構建了藥用大黃高質量的同源四倍體基因組，探究了蓼科植物如蕎麥和藜科植物的基因組進化與重要基因家族的演化，解析了轉座子在基因組進化、基因拷貝數變異和基因表達調控中的重要作用，並揭示了藥用大黃根中高蒽醌含量的遺傳學基礎。鸿运国际(中国)為本研究提供測序服務。
01 研究背景
藥用大黃（Rheum officinale）是蓼科大黃屬的一種多年生草本植物，是我國傳統中藥之一，具有清熱解毒、活血化瘀、抗菌、抗病毒、抗炎症、鎮痛、調節免疫、抗腫瘤等功效。這主要得益於大黃中富含的蒽醌類、蒽酮類、芪類、鞣質類、苯丙酮類等化合物，而且這些化合物在大黃不同發育階段和不同組織中的積累存在顯著差異。藥用大黃作為大黃屬中報道的四倍體材料，其為同源四倍體還是異源四倍體，以及它的多倍化事件是否在其表型塑造、物質合成和環境適應性中起重要作用仍然未知。同時，由於藥用大黃基因組高雜合、高重複、多倍體的特性，導致對其基因組的解析異常困難，這極大地限制了藥用大黃遺傳信息的挖掘和利用。
02 研究結果
① 高質量的藥用大黃基因組組裝和注釋
本研究結合PacBio HiFi、Oxford Nanopore和Hi-C等測序技術對藥用大黃進行基因組測序組裝，得到了7.68Gb基因組序列（Contig N50 3.47Mb，包含2n=4x=44條染色體），其中約83%為重複序列。BUSCO評估基因組完整性為99.3%，Illumina reads和Ultra-long reads的比對率分別為99.88%和99.3%，以上結果說明，本次研究構建了一個高質量的藥用大黃同源四倍體基因組。
圖1 大黃植物和基因組特徵
② 比較基因組和基因家族進化分析
研究人員通過系統發育分析發現，大黃與苦蕎和金蕎的進化關係最為接近，並於33.4百萬年前分化。藥用大黃中特異和擴增的基因家族主要參與特殊代謝物合成以及對生物和非生物脅迫的響應，這可能部分解釋了藥用大黃具有豐富的藥用成分和較強的環境適應性的基因組學基礎。通過Ks分析，研究人員發現藥用大黃共發生過兩次全基因組複製事件：一次為核心雙子葉植物共有，一次為蓼科物種共同經歷。進一步分析發現藥用大黃基因組中轉座複製基因（transposed duplicated genes）的數目遠多於苦蕎和金蕎，而且這些基因主要富集於細胞響應DNA損傷刺激、根發育和囊泡介導的運輸中，表明其在維持基因組穩定性、特定分泌蛋白的運輸和根發育中發揮作用。
圖2 大黃系統發育分析和全基因組複製鑑定
③ TEs對藥用大黃的基因組進化、基因拷貝數變異和基因表達有重要影響
研究人員通過祖先核型演化分析，繪製了蓼科核型演化圖譜，推測TE的轉位和重組可能導致染色體斷裂重排，從而導致了藥用大黃（11條）和苦蕎麥（8條）染色體基數的差異。同時，發現LTR-RTs尤其是Gypsy超家族中CRM、Athila、Retend和SIRE家族的擴增是大黃單倍體基因組（1.92Gb）遠遠大於苦蕎麥基因組（0.49Gb）的原因。研究也發現藥用大黃基因組中存在大量的轉座複製基因（TRDGs），其中與根發育相關的TTM3（Triphosphate Tunnel Metalloenzyme 3）基因家族在藥用大黃基因組中發生了明顯的擴增，而且部分TTM3基因在根中顯著高表達，推測該基因家族的擴增在藥用大黃根發育過程中發揮着重要的作用。
圖3 蓼科核型演化關係以及大黃和苦蕎的比較基因組分析
④ 近期形成的同源四倍體及其單倍體基因組的分化
研究人員通過同源染色體之間的序列相似性和Ks值分析，證明了藥用大黃是近期加倍的同源四倍體，而且4個單倍體基因組之間同源基因的保留水平較高。進一步通過有害突變檢測發現4個單倍體基因組共有的有害突變的數量明顯低於單個單倍體基因組，同時還鑑定出了大量等位基因差異和等位基因特異表達基因，這些結果表明基因組多倍化後可以減弱突變對功能性狀的影響，並為基因的功能分化提供了分子基礎。
圖4 同源四倍體確定以及四套同源組之間的比較分析
⑤ 不同組織代謝物和基因表達模式的差異
研究人員通過代謝組分析，在藥用大黃中鑑定共出802種已知代謝物，發現不同組織間不同種類的代謝物含量存在顯著差異，其中蒽醌類物質在根中的豐度遠遠高於莖和葉，進一步證明了大黃根部具體更高的藥用價值。同時研究人員發現葉片中具有更高含量的單萜類化合物，而根和莖中三萜類化合物含量更高，推測TPS基因以及OSC基因在不同組織中的表達模式差異可能與萜類化合物在不同組織中的含量相關。
圖5 不同組織代謝物含量和基因表達模式差異
⑥ 蒽醌生物合成關鍵基因分析
研究人員進一步聯合多組學數據分析，發現大黃蒽醌生物合成相關的基因數目發生了明顯的擴增，並且很多與蒽醌類物質合成相關的酶基因在根中高表達，可能導致了大黃根部蒽醌含量遠高於其他組織的重要原因。四個等位基因之間的表達差異可能是由於TE的插入導致的。
圖6 不同組織蒽醌類物質含量差異和蒽醌生物合成通路上的基因數目和表達情況
總之，該研究首次解析了同源四倍體藥用大黃的基因組信息，為藥用大黃重要功能基因的挖掘和分子育種提供了重要的基因組資源。
河北大學杜會龍教授為論文通訊作者，碩士研究生張宏宇和青年教師何強博士為本文第一作者，中國農業大學林濤教授對該工作進行了指導和幫助。杜會龍教授團隊主要是基於各類測序數據的基因組組裝流程開發、複雜植物高質量基因組的構建、比較基因組分析、功能基因組分析、泛基因組分析以及圖形基因組構建及應用等工作，開展了深入的研究，推進了本領域的研究進展。
參考文獻
Zhang H, He Q, Xing L, Wang R, Wang Y, Liu Y, Zhou Q, Li X, Jia Z, Liu Z, Miao Y, Lin T, Li W, Du H. The haplotype-resolved genome assembly of autotetraploid rhubarb Rheum officinale provides insights into the genome evolution and massive accumulation of anthraquinones. Plant Commun. 2023 Aug 26:100677. doi: 10.1016/j.xplc.2023.100677. Epub ahead of print. PMID: 37634079.
