馬甲子T2T單倍型基因組揭示鼠李科進化與抗病/抗逆分子機制

《Communications Biology》：Haplotype-resolved t2t genome of paliurus hemsleyanus provides insights into rhamnaceae evolution and genome biology

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Communications Biology 5.1

　　

在植物基因組學研究日新月異的今天，鼠李科植物作為重要的經濟樹種和生態樹種，其基因組資源卻相對匱乏。馬甲子(Paliurus hemsleyanus)作為中國特有落葉灌木或小喬木，不僅具有生態韌性、經濟價值和觀賞價值，更是棗樹(Ziziphus jujuba Mill.)的優選砧木，能顯著提高接穗對棗瘋病的抗性。然而，由于缺乏高質量的基因組參考序列，人們對該物種的基因組生物學和進化歷史的認識一直受限。

為了解決這一難題，河北農業大學的研究團隊在《Communications Biology》上發表了最新研究成果。他們采用多種前沿測序技術，成功構建了馬甲子單倍型分型的端粒到端粒無間隙基因組，為鼠李科植物進化研究和功能基因組學分析提供了高質量參考。

研究人員首先通過PacBio HiFi、Oxford Nanopore超長讀長和Hi-C技術，構建了兩個單倍型基因組（HapA 306.66 Mb，HapB 306.21 Mb），contig N50均超過24.9 Mb。評估顯示基因組完整性達98.90%，LAI指數超過18.5，QV值高于51.4，證實了組裝的高質量。所有著絲粒和端粒區域均被完整預測，共注釋到約29,000個蛋白編碼基因。

單倍型分型T2T基因組組裝與驗證

通過整合多組學數據，研究人員成功將contig錨定到12條染色體上，Hi-C互作圖譜顯示清晰的染色體對角線信號。BUSCO分析顯示兩個單倍型均具有98.90%的完整性，Merqury評估顯示堿基錯誤率低于0.0001。著絲粒預測顯示其大小為100 kb-2 Mb，主要由LTR反轉錄轉座子主導。

重復序列和蛋白編碼基因注釋

重復序列占基因組的47.37%-47.57%，其中轉座元件(TE)是主要組成部分。Gypsy和Copia是含量最豐富的LTR反轉錄轉座子�；�因表達分析顯示，約66%的基因在至少一個組織中表達，表達模式在兩個單倍型間高度相似。

單倍型間變異和等位基因特異性表達

共鑒定到1,295,745個SNP和348,631個Indel，影響66.66%的蛋白編碼基因。等位基因特異性表達(ASE)分析發現829對基因存在顯著表達差異，這些基因富集于防御反應和應激相關過程。表達差異與序列變異程度呈正相關，啟動子區域變異對表達影響尤為顯著。

特別值得注意的是精氨酸琥珀酸合酶基因ASS1的等位變異：HapA中的PhAASS1具有功能，而HapB中的等位基因因第一外顯子插入285 bp而失活。這一發現揭示了結構變異如何驅動等位基因特異性表達，進而影響代謝靈活性。

馬甲子與近緣物種的比較基因組學進化見解

與19個物種的比較基因組分析顯示，鼠李科物種保持12條染色體的穩定核型，而薔薇科物種染色體數目變異較大。Ks和4DTv分析揭示了共享的古代全基因組三倍化事件(γ事件)，以及薔薇科和胡頹子科中特異的全基因組復制事件。鼠李科物種僅保留較小的物種特異性復制峰，表明其基因組進化相對保守。

馬甲子NLR基因的表達譜和特征

共鑒定到853個NLR基因，分為CNL、NL、TNL和RNL四個亞家族。表達分析顯示NLR基因在根組織中優勢表達，特別是在中等表達水平(FPKM 10-100)范圍內。等位NLR基因的表達顯著高于非等位基因，表明保留兩個單倍型具有轉錄優勢。

轉座元件分析顯示，與全基因組模式不同，Copia元件在NLR基因周圍占主導地位。TNL亞家族攜帶的TE數量顯著多于其他亞家族，且TE豐度與TNL在莖葉中的表達呈負相關，但在根中無此相關性，提示根組織可能存在特異性調控機制。

HapB染色體9上約246 kb的缺失導致13個串聯NLR基因丟失，這些基因完全不表達，為非等位NLR表達降低提供了典型案例。鼠李科物種間NLR庫比較顯示顯著變異，其中Sth物種的NLR數量極少(68個)，但RNL數量與馬甲子相當，表明RNL在鼠李科中具有獨特的進化軌跡。

AsA代謝途徑的表達和進化

鑒定到91個AsA代謝相關基因，其中L-半乳糖和D-半乳糖醛酸途徑在根、莖、葉中占主導地位。生物合成基因在莖葉中的平均表達顯著高于根，與AsA含量測定結果一致（葉片含量最高）。

MDHAR基因家族在鼠李科中發生譜系特異性串聯擴增，其中棗樹擴張最為顯著(13個基因)。比較分析顯示，這種擴張模式為鼠李科特有，其他高AsA物種如獼猴桃和柑橘中未見類似擴張。

研究結論與意義

本研究提供的馬甲子單倍型分型T2T基因組填補了鼠李科基因組資源的空白。研究發現鼠李科基因組結構相對穩定，NLR基因呈現根組織優勢表達模式，等位基因表達與序列變異正相關。AsA代謝在葉片中最為活躍，MDHAR基因家族的譜系特異性擴張可能增強了鼠李科植物的抗逆能力。

該基因組為鼠李科植物的進化研究、功能基因組學和分子育種提供了寶貴資源，對未來比較基因組學研究和育種策略制定具有重要指導意義。特別是對NLR和AsA代謝基因的深入分析，為理解植物抗病抗逆機制提供了新視角。

關鍵技術方法

研究采用PacBio HiFi（41.7×）、Oxford Nanopore超長讀長（180×）和Hi-C（201×）技術進行基因組測序，使用MGISEQ-2000平臺進行基因組長短讀長測序（71×）。利用改進的CTAB法從年輕葉片提取基因組DNA，從同一馬甲子個體的根、莖、葉組織（各3個生物學重復）提取RNA進行轉錄組測序。通過Hi-C數據輔助染色體構建，使用BUSCO、Merqury和LAI指數評估基因組質量。