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西北大学在草原毒害草黄花棘豆基因组学和共生及产毒机制中取得新进展
发布时间:2022-09-05      作者:    点击:[]    分享到:

近日,西北大学生命科学学院何玮与赵鹏团队合作,以黄花棘豆及其内生真菌为主要研究对象,首次对该植物和与其共生的内生真菌进行了高质量的全基因测序组装注释,分析了两者各自的进化关系和苦马豆素合成关键基因簇的遗传分化;结合其共生/非共生状态下的转录组,分析了两者共生及毒素合成的分子机制;通过重测序,分析了毒素合成关键基因簇的遗传变异对毒素含量的影响。研究发现,黄花棘豆与内生真菌共生可以促进植物的次生代谢及防御基因的表达,促进了内生真菌毒素合成SWN基因簇上关键基因的表达,该基因簇上的部分SNP突变可造成不同菌株产毒能力大小差异。该研究成果以题目为“Assembly of high-quality genomes of the locoweed Oxytropis ochrocephala and its endophyte Alternaria oxytropis provides new evidence for their symbiotic relationship and swainsonine biosynthesis”论文在线发表在国际学术TOP期刊《Molecular Ecology Resources》上(IF=8.678,生物学、生态学1区)。

黄花棘豆(Oxytropis ochrocephala Bunge)隶属于豆科棘豆属,为二倍体(2n = 16)多年生植物,是我国草原危害最大的毒害草之一。其能够与内生真菌 Alternaria oxytropis 共生,因该内生真菌合成生物碱苦马豆素(swainsonine, SW)而使植株带有毒性,牲畜误食后导致中毒甚至死亡,给畜牧业发展造成了严重影响。团队首次利用三代Nanopore、二代Illumina测序技术以及Hi-C技术测序组装获得一个高质量染色体水平的黄花棘豆基因组:其基因组大小为 930.94 Mb,contig N50 为 1.40 Mb,scaffold N50 为 121.79 Mb,共注释到 31,700 个蛋白质编码基因。利用三代Nanopore和二代Illumina测序技术测序组装获得一个高质量的A. oxytropis基因组:其基因组大小为74.48 Mb,contig N50为8.87 Mb,共注释到10,657个蛋白质编码基因。

图 1 黄花棘豆与A. oxytropis基因组组装的全局图展示

黄花棘豆基因组进化分析显示,其大约于 42.62 百万年前分化出来,且与蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)、大豆(Glycine max)具有较近的亲缘关系。黄花棘豆与蒺藜苜蓿之间基因的共线性关系更好,但染色体发生了部分片段的重排,这些重排的基因主要参与代谢途径。黄花棘豆基因组中6,938 个基因家族发生收缩,1,862 个基因家族发生扩张,在进化过程中发生了一次WGD 事件。

图 2 黄花棘豆与其他10个物种的比较基因组学分析

A. oxytropis基因组进化分析显示,A. oxytropis与同属的其他真菌聚在一起,与不同属中产苦马豆素的真菌相比,A. oxytropis具有该物种最丰富的特有基因家族,主要与代谢途径相关。基于SW合成基因簇的关键基因swnK的系统进化分析发现,有14个目的真菌均含有该基因簇。基于ITS系统进化分析发现,Alternaria属内产苦马豆素(含有swnK基因)的物种聚在一起,与不含swnK基因的物种分离。

图 3 A. oxytropis基因组进化分析及基于swnK和ITS的系统进化分析

黄花棘豆与A. oxytropis共生/非共生状态下的转录组分析显示,对寄主而言,其与内生真菌共生后差异基因主要与防御以及次级代谢相关;对内生真菌而言,其在寄主体内共生时,参与脂肪酸代谢、氮代谢以及降解细胞壁相关的差异基因被大量诱导上调表达,同时共生诱导了大量SW合成基因的上调表达。

图 4 黄花棘豆与A. oxytropis共生/非共生状态下基因表达水平与代谢途径的变化

研究丰富了前期推测的SW合成通路,进一步分析显示,一个编码P5CR的基因位于SWN簇上,也包含在SWN的全长序列中。41株A. oxytropis的重测序分析显示,一个位点SNP19996与SW含量相关。

图 5 SW生物合成途径示意图、基因表达、基因结构以及SWN基因簇中SNP多样性、A. oxytropis体内SW含量

该研究中黄花棘豆与A. oxytropis基因组资源的获得并结合转录组学进一步研究了双方的共生关系、SW的合成以及棘豆与A. oxytropis的进化背景。此外,基因组资源的获得也将为今后研究非模式植物和非禾草中植物与内生真菌共生机制的关键科学问题提供有价值的遗传资源。

西北大学为论文第一作者和通讯作者单位,西北大学生命科学学院2019级硕士研究生张丽(已毕业)为论文第一作者,何玮副教授、赵鹏教授为论文通讯作者,“主要毒害草发生规律与防控技术研究”公益性行业专项首席专家尉亚辉教授对本研究进行了全面支持。英国亚伯大学Luis Mur教授和内蒙古农业大学韩国栋教授等参与了本项研究,英国皇家科学院院士、约克大学Ian Graham教授及西安交通大学叶凯教授对本项目进行了指导。本研究得到了青海省重点研发计划、中科院“西部之光”人才培养计划、陕西省科技厅国际合作项目等资助。

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1755-0998.13695