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靈寶杜鵑（Rhododendron henanense subsp. lingbaoense）是我國特有的名貴杜鵑種，不同于平常所見的灌木杜鵑，靈寶杜鵑為高大挺拔的喬木，其花型嬌艷、碩大，隸屬我國十大名花之一。同時，靈寶杜鵑生長在海拔2400米的高山地區(qū)，對低溫和長期干旱有極好的適應性，是研究逆境適應性的理想材料。

近日，洛陽師范學院植物多樣性保護課題組聯(lián)合菲沙基因在國際主流期刊Molecular Ecology Resources（IF=7.09，中科院一區(qū)）上發(fā)表了題為“The chromosome-scale genome assembly,annotation and evolution of Rhododendron henanense subsp. lingbaoense”的研究論文。該研究通過PacBio+Hi-C技術首次構建了我國特有杜鵑種-靈寶杜鵑的高質(zhì)量參考基因組，隨后基于比較基因組分析揭示了靈寶杜鵑與其它杜鵑間的共線性，同時也初步揭示了靈寶杜鵑逆境適應性的分子機制，從而為靈寶杜鵑的種質(zhì)資源保護與進化研究提供了新見解。

圖1 文章發(fā)表信息

一. 研究背景

杜鵑花具有較高的觀賞、園藝與藥用價值，近期也有大量關于杜鵑花屬的基因組與轉錄組研究報道，這些報道對于杜鵑花屬基因家族的進化和廣泛的表型可塑性研究具有重要意義。但到目前為止，我國特有杜鵑種-靈寶杜鵑的基因組尚未有報道，這限制了對其遺傳資源、環(huán)境適應性及分子進化的研究，因此構建靈寶杜鵑基因組具有重要理論意義。

二. 研究思路

材料：靈寶杜鵑（Rhododendron henanense subsp. lingbaoense）
測序策略：PacBio（220×）+Hi-C（100×）+Illumina（90×）

三. 研究結果

1. 靈寶杜鵑基因組的組裝與注釋

通過Survey分析，預估靈寶杜鵑基因組大小為654.12Mb，雜合為0.72%。隨后研究者利用高深度的PacBio測序和Hi-C輔助組裝，構建了高質(zhì)量的染色體水平靈寶杜鵑基因組，其基因組大小為622.72Mb，Contig N50=2.54Mb，Scaffold N50=50.18Mb。接著，研究者通過多種方法證實了基因組組裝的完整性與準確性，三代數(shù)據(jù)的比對率為97.85%，BUSCO評估基因組完整性為97%，二代數(shù)據(jù)檢測基因組單堿基錯誤率僅為0.0003%；且與已發(fā)表的其它杜鵑屬物種相比，本研究組裝的基因組完整性和準確性都是最好的。

結合從頭注釋、同源注釋和全長轉錄組注釋，研究者在靈寶杜鵑種鑒定到31098個蛋白編碼基因，平均每個基因的長度為6393.37 bp，其中88.77%的基因都可以得到功能注釋。靈寶杜鵑基因組中65.76%的序列都是重復序列，其中LTR的含量最高。此外，研究者在靈寶杜鵑中還鑒定到 2251個rRNAs、448個tRNAs、488個snRNAs 以及94個miRNAs。

圖2 靈寶杜鵑全基因組Hi-C互作圖譜

2. 靈寶杜鵑的比較基因組分析

研究者選取14個近緣物種用于靈寶杜鵑的比較基因組分析，共鑒定到15483個基因家族，其中168個是靈寶杜鵑特有的基因家族。系統(tǒng)進化樹分析表明，杜鵑屬內(nèi)的親緣關系較為密切，其分化時間大致在12.3 ~ 19.9百萬年前，而獼猴桃、山茶屬與杜鵑屬的分化時間大致在64.6~73.8百萬年前。

共線性分析表明，馬纓杜鵑（Rhododendron delavayi）、圓葉杜鵑（Rhododendron williamsianum）、杜鵑（Rhododendron simsii）與靈寶杜鵑間的共線性非常好，且以單染色體與單染色體間的共線性為主，但不同杜鵑的基因組間也存在染色體重排事件。通過WGD分析，檢測到杜鵑屬和山茶屬有一個相似的WGD峰（Ks值在0.637到0.715），結合分子時鐘，研究者確定了杜鵑屬植物先發(fā)生一次WGD事件（79.2百萬年前），而后與近緣種山茶屬產(chǎn)生了分化?；驍U增收縮分析表明，靈寶杜鵑中有2257個基因家族發(fā)生了擴張，擴張基因顯著富集在與對水楊酸的響應、細胞對酸化學的響應、防御反應的調(diào)節(jié)、應激反應的調(diào)節(jié)相關的通路中，這證實了靈寶杜鵑對逆境有著極強的抗性；收縮的基因則顯著富集在與萜合酶活性、碳氧裂解酶活性和ADP結合相關的通路中。

圖3 靈寶杜鵑與其近緣種的比較基因組分析

3. 靈寶杜鵑中MYB基因家族的進化

之前研究表明，MYB的同源基因調(diào)控植物發(fā)育、花朵顏色和脅迫反應中發(fā)揮重要作用，研究者隨后鑒定了靈寶杜鵑中MYB基因家族的變化。結果表明，靈寶杜鵑中存在110個MYB的同源基因，在13條染色體上都有分布，其MYB基因的數(shù)目要小于棉花、油菜等物種，且靈寶杜鵑中部分MYB基因存在串聯(lián)重復事件。此外，基于MYB基因構建的系統(tǒng)進化樹表明，靈寶杜鵑的MYB基因與擬南芥中的MYB基因屬于不同的分類。這些結果將有助于后續(xù)MYB基因的功能驗證工作。

圖4 靈寶杜鵑中MYB基因的分布

總 結

本研究通過PacBio和Hi-C技術構建了染色體水平的靈寶杜鵑基因組，在此基礎上通過與其它杜鵑植物及近緣植物進行比較分析，闡述了靈寶杜鵑的基因組進化、WGD事件、與逆境適應性相關基因的擴張與分類，從而為靈寶杜鵑種質(zhì)資源保護、新品種選育及遺傳進化研究提供了新見解。