重磅!李思锋团队联合多家单位破译漆树基因组 揭示木质素和漆酚合成相关的代谢通路

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2022-06-07 11:31陕西陕西法制网官方百家号,优质社会领域创作者,本地资讯创作者
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李思锋团队联合多家单位破译漆树基因组

揭示木质素和漆酚合成相关的代谢通路

漆树是我国重要的特用经济树种,据考古发现我国使用天然生漆的历史可追溯到公元前七千多年前,据明朝黄成所撰的现今唯一传世的漆器工艺著作《髹饰录》记载:“漆之为用也,始于书竹简,而舜作食器,黑漆之,禹作祭器,黑漆其外,朱画其内。”《庄子·人世间》中也有“桂可食,故伐之;漆可用,故割之”的记载。而曾经作为礼器的漆器如今依然以其独有的东方元素,传承着华夏艺术瑰宝无穷魅力。

漆树是漆树科漆树属落叶乔木,在我国大部分地区均有分布。其木质坚硬、细腻,是制作家具的上好材质。漆树的叶和花果,可以入药,有止咳、消淤、通经、杀虫之效。果实可榨油,果皮可取蜡,漆仁油可作油漆工业的原料,也可食用,漆蜡则是制造肥皂和甘油的重要原料。漆液是天然树脂涂料,素有“涂料之王”的美誉。因此,漆树是天然涂料、油料和木材兼用的经济型树种,可谓全身皆宝。我国传统医学中干漆有通经、驱虫、镇咳的功效;药理研究表明,漆树中含有多种黄酮、有机酸等天然小分子具有抗癌、改善神经异常等活性。

虽然我国漆树资源丰富,但漆树育种仍处于传统选育阶段,漆树中漆酚的生源合成及该途径中关键酶基因尚未破解,漆树品种中特色天然产物的精细鉴定及其相关基因仍未鉴定,这些严重制约了漆树综合资源开发及分子育种进程。

近日,陕西省西安植物园(陕西省植物研究所)陕西省“三秦学者”李思锋研究员团队在Cell Press旗下交叉学科期刊iScience在线发表了题为“The chromosome-level genome for Toxicodendron vernicifluum provides crucial insights into Anacardiaceae evolution and urushiol biosynthesis的研究论文。该研究首次获得并公开发布了染色体级别的漆树参考基因组序列,并揭示了漆树木质素及漆酚合成相关的代谢通路。

本研究利用Nanopore、PacBio Sequel Ⅱ、MGISEQ-2000和Hi-C技术开展了漆树“高八尺”进行全基因组序列测定。组装后得到基因组大小为 491.93 M,Contig和Scaffold N50分别为5.26 Mb 和32.97 Mb,染色体挂载率为98.26%,共注释得到32682个基因(图1)

图1 高质量漆树基因组组装图

进化分析显示,漆树与P. vera之间的物种分化大约发生在25.2Mya,并且漆树在47.3 Mya经历了一次全基因组复制事件。其中与漆酚生物合成相关的基因家族发生显著扩张,可能对于漆树的生态适应性和生物适应性有重要作用(图2)

图2 漆树比较基因组分析。a,15种近缘植物的基因家族扩张和收缩。分支上的绿色和红色数字代表每个物种的扩张和收缩基因家族。b,漆树的 WGD 分析。c,代表了漆树科其他物种的 T.vernicifluum 旁系同源物和直系同源物的同线块的 4dTv 分布。

同时团队进一步联合基因组、转录组和代谢组数据,分析漆树中漆酚和木质素合成代谢过程中相关关键酶基因的变化规律,绘制了漆树漆酚及木质素合成通路代谢图(图3)。并结合基因结构鉴定与转录组分析,在漆树中鉴定了33条聚酮合酶基因,该酶是漆酚合成途径上的关键酶基因。此外,运用代谢组学技术揭示了不同漆树品种“大红袍“、”高八尺“、”贵州红毛“、”贵州黄毛“以及野生型漆树含有的化合物图谱,为漆树的综合开发提供了有力数据。并且发现不同品种在特有天然产物方面存在差异,漆黄素、黄颜木素等黄酮类化合物可以作为漆树品种鉴定的代谢物标记。

图3 漆树中漆酚合成(a)及木质素(b)合成代谢通路

综上,本研究首次公布了漆树高质量基因组数据,为漆树分子育种及天然产物开发提供了基因组基础,也为漆树科比较基因组学、进化生物学等研究提供了支撑。

以上研究由陕西省西安植物园(陕西省植物研究所)李思锋课题组联合华大基因、西安交通大学、国投生物科技投资有限公司等多家单位协作完成。陕西省西安植物园(陕西省植物研究所)柏国清副研究员、陈尘副研究员、华大基因赵辰曦博士、西安交通大学周涛副教授、国投生物科技投资有限公司李丹博士为共同第一作者;陕西省西安植物园(陕西省植物研究所)李思锋教授为本文通讯作者。陕西理工大学周天华副教授参与了本研究。研究的开展得到国家自然科学基金、陕西省重点研发计划项目、第四次全国中药资源普查陕西省项目的共同资助。

参考文献:

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Sawada, Y., Sato, M., Okamoto, M., et al. (2019). Metabolome-based discrimination of chrysanthemum cultivars for the efficient generation of flower color variations in mutation breeding. Metabolomics 15, 118.

Weisberg, A.J. (2014). Investigations into the molecular evolution of plant terpene, alkaloid, and urushiol biosynthetic enzymes (Blacksburg, Virginia: Virginia Polytechnic Institute and State University).

Wang, L., He, N., Li, Y., et al. (2020a). Complete chloroplast genome sequence of Chinese lacquer tree (Toxicodendron vernicifluum, Anacardiaceae) and its phylogenetic significance. Biomed. Res. Int. 2020, 9014873.

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作者:王一

来源|BAP BioArt植物

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