近日，中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所劍麻研究團隊在龍舌蘭亞科基因組及CAM進化機制上取得進展，該研究構建了龍舌蘭亞科首個染色體級別參考基因組，揭示了龍舌蘭亞科植物基因組增大的原因，發現了龍舌蘭科植物不同于其他植物的CAM進化分子機制，為龍舌蘭科植物（劍麻）分子育種和分析CAM進化提供基因組資源。相關研究成果發表在Horticuture Research上。
龍舌蘭亞科（中文名為劍麻）是多年生單次開花植物，開花時間在8~30年，這種生理特征導致劍麻的育種周期漫長。采用基因工程技術能縮短植物育種周期，目前劍麻缺乏參考基因組，阻礙了分子輔助育種技術在劍麻育種中的應用。然而較大的基因組、高比例的重復序列和多倍化，以及難以獲得純合系等因素阻礙了劍麻基因組的研究。
研究團隊利用Illumina、ONT和Hi-C測序數據，以國內主栽品種“東方紅1號”為材料，組裝了龍舌蘭亞科首個染色體級別基因組。該基因組總長度為4.87 Gb，共注釋出58,841個蛋白編碼蛋白基因。利用Hi-C輔助組裝技術將A. hybrid基因組拼接序列錨定30條染色體上，Scaffold N50 長度186.42 Mb。
A. hybrid形態、基因組特征和共線性分析 中國熱帶農業科學院供圖
研究人員通過多組學分析發現，兩次全基因組復制（WGD）事件、染色體重排和長時間低頻率的LTR重復序列插入可能是導致龍舌蘭科植物基因組增大、染色體增多的主要原因。并且，劍麻存在碳固定、次生代謝物合成等特有基因，蛋白/RNA/DNA合成與穩定相關蛋白受到正選擇，糖代謝、植物激素信號途徑基因、熱激蛋白和逆境脅迫相關轉錄因子發生基因擴張。
此外，研究發現，CAM途徑明星PEPC基因的數量沒有發生增加、沒有夜間表達的CAM型PEPC基因、沒有發現三類（R/K/H - D、A - S和R - G）已知的能顯著提高PEPC酶活性的氨基酸突變。劍麻PEPCK基因家族發生基因擴張、MAPK信號級聯、晝夜節律和植物激素信號轉導途徑的轉錄因子參與調控PEPCK基因表達。
相關論文信息：https://doi.org/10.1093/hr/uhad269
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