PBJ精选丨三个罗布麻T2T基因组发表
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罗布麻属（Apocynum）为多年生亚灌木，广泛分布于中国盐碱戈壁沙漠，与依赖持续胁迫响应的盐生植物不同，罗布麻可能通过动态调控适应戈壁地区波动的盐度与干旱，这一特性在其杂交后代中尤为显著。红麻（Apocynum pictum 'Hongzhon'，APZ）被认为是白花罗布麻（A. hendersonii 'Guazho'，AHG）与罗布麻（A. venetum 'Hongxia'，AVX）的杂交种，它结合了AHG的环境耐受性与AVX的高黄酮产量特性，这使得研究罗布麻属植物的杂交活力与适应性变得尤为重要。
近日，兰州大学张吉宇教授团队在植物学著名期刊《Plant Biotechnology Journal》上发表了标题为“Hybridization Drives Trait Integration in Telomere-To-Telomere Apocynum Genomes”的研究论文，作者组装了三个罗布麻属物种的T2T基因组，结合群体遗传学和功能验证，阐明了杂交如何整合和优化APZ的生态适应性与黄酮性状，并为罗布麻的育种进步奠定基础。
一、三种罗布麻属植物T2T基因组组装
作者通过整合三个物种的PacBio HiFi测序数据、Hi-C数据及AHG的ONT超长数据，完成了三个物种的T2T基因组组装。Hi-C互作矩阵验证了各物种11条染色体的正确组装。最终基因组大小分别为：APZ 227.90 Mb（N50 20.96 Mb）、AVX 228.79 Mb（N50 20.59 Mb）、AHG 222.39 Mb（N50 21.00 Mb），BUSCO和QV值均显示组装基因组的高质量。三个物种11条染色体末端均检测到了端粒序列，另外AHG在8条染色体、AVX和APZ各在4条染色体上鉴定到着丝粒。
基因注释显示APZ、AVX、AHG分别含有24,528、24,622和25,068个蛋白编码基因，LTRs在APZ、AVX、AHG中分别占28.89%、29.81%、29.18%。功能注释覆盖92.11%-94.59%的基因，核心保守基因覆盖率达99.0%。这些高质量基因组为后续系统发育和杂交起源分析奠定了坚实基础。
图1：三种罗布麻属植物的形态特征与黄酮含量分析
二、罗布麻属植物演化研究
基于单拷贝核直系同源基因构建的最大似然系统发育树表明，罗布麻属与牛角瓜构成姐妹群，属内进化关系显示，AVX与APZ聚为一支（约95万年前），而AHG分化较早（约208万年前）。
基因家族扩张分析检测到APZ（291个）、AVX（268个）和AHG（575个）的扩张家族，显著富集于苯丙烷/黄酮合成、单萜代谢及氧化应激响应通路。而且4个黄酮相关和7个苯丙烷相关家族发生显著扩张，包括罗布麻特有的CHS同源基因串联重复。这些基因组特征可能增强了黄酮多样性及非生物胁迫耐受性。
图2：三个罗布麻属物种T2T基因组解析及系统发育与进化研究
三、APZ源于AVX和AHG杂交
作者通过对25份罗布麻种质进行全基因组测序，群体结构和系统发育分析鉴定出三个遗传分支。SNP系统发育显示54%区域支持AHG作为AVX-APZ的姐妹群，34%区域则显示AVX位于AHG-APZ基部。通过基因流分析显示，AVX与APZ之间存在显著基因渗入，二者的遗传分化程度远低于AHG-AVX和AHG-APZ。APZ的杂合度和核苷酸多样性均高于AHG与AVX，其LD水平也更高，这些结果共同证实杂交作用提升了APZ的遗传多样性，且其与AVX亲缘更近。
作者进一步从重测序数据组装的24个叶绿体基因组。叶绿体序列系统发育将材料分为两支：分支1（AVX）和分支2（AHG与APZ）。分支特异性变异集中于ycf1基因和rpoC2基因的非保守区，可作为AVX与AHG/APZ的分子标记。系统发育与叶绿体结果均证实AHG是APZ的母系质体供体。
另外基于104份种质的转录组和重测序数据，通过系统发育和PCA确认APZ呈现AHG与AVX的混合遗传背景。综合证据表明，APZ是约95万年前由父本AVX与母本AHG杂交形成，其核基因组以AVX贡献为主。
图3：基因组证据表明APZ由AVX和AHG杂交形成
四、SVs在罗布麻属物种中维持适应性性状
作者通过将26份罗布麻种质比对至APZ参考基因组，共鉴定出351,372个非冗余变异，APZ个体的杂合SV与SNP主要富集于倒位区域，呈现典型的杂交特征。群体断点分析显示，AVX和AHG群体在这些区域呈纯合状态但倒位构型相反，而APZ因继承双亲各一套基因组，其群体表现为杂合倒位。基于AVX与AHG群体InDel变异的选择性清除分析，在这些倒位区内检测到显著选择信号，表明APZ通过杂交保留了适应性分化特征。
倒位区内的LD水平显著高于Chr3/Chr8非倒位区，LD衰减速率减缓表明这些区域存在重组抑制，从而维持了亲本单倍型的完整性。倒位区的KEGG富集分析发现与油菜素内酯合成、MAPK信号转导和植物激素信号传导相关，同时包含3个黄酮合成关键基因，证实其在胁迫适应与黄酮保留中的作用。较小SV（<1 Mb）则富集于黄酮和生物碱合成通路，进一步丰富了罗布麻种质的适应性性状多样性。
图4：罗布麻物种中SVs和LD情况
五、ASE与HHS协同优化抗逆及黄酮性状
为阐明APZ杂交起源增强适应性性状的分子机制，作者分析了其在亲本纯合而自身杂合的位点上的等位基因特异性表达（ASE）。作者通过重测序和NaCl胁迫转录组测序数据分析，共鉴定5,268个ASE基因（ASEGs），其中父本（AVX）偏向型ASEGs显著多于母本（AHG）偏向型。
功能富集分析揭示ASE通过盐胁迫响应实现适应性优化，另外作者发现盐浓度梯度实验显示在200 mM NaCl时，AHG偏向基因主导，这些DEGs主要富集激素/MAPK通路，而当浓度上升到400 mM 时转为AVX偏向基因主导，DEGs转为富集黄酮合成通路。
作者认为ASE与HHS的协同作用塑造了APZ的生态适应策略，在中度胁迫时依赖AHG来源等位基因激活基础抗逆通路，而重度胁迫时转向AVX来源等位基因强化黄酮合成与氧化防御。此外LHY等正选择基因通过生物钟协调促进杂交种稳定。
图5：APZ的ASE现象
六、黄酮合成基因的功能验证
APZ的黄酮含量呈现偏向父本（AVX）的中亲杂种优势。基于拟南芥同源基因和KEGG数据库，作者重构了罗布麻黄酮合成通路，并鉴定出16个具有组织一致性ASE模式的黄酮合成基因。
酵母实验表明，AvCHS5的AVX和AHG等位基因均能增强盐耐受性，说明其通过剂量效应而非功能分化发挥作用。转基因功能酵母体系实验证明，过表达AvFLS-AVX等位基因的酵母比AvFLS-AHG表现出更强的盐耐受性。而发根体系中，过表达AvFLS显著提升黄酮醇含量和基因表达，而RNAi沉默导致黄酮合成下降。盐胁迫下，AvFLS-AHG过表达发根的株高、根长及生物量均低于AvFLS-AVX。
图6：APZ中与类黄酮积累和耐盐性相关的等位基因发生功能分化
结语
本研究通过组装三个罗布麻的T2T完整基因组，对APZ的杂交进行了溯源，整合结构变异和等位基因特异性表达分析以阐明性状保留与优化机制，并通过功能验证确认关键基因的贡献，这一研究为罗布麻后续的分子育种打下了坚实的基础。
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