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基因组中心菠萝基因组研究取得重大突破 成果在国际学术权威刊物《自然•遗传学》在线发表


  发布时间: 2015-11-03   信息员:  

11月2日,国际学术权威刊物《自然•遗传学》(Nature  •Genetics)在线发表了我校基因组与生物技术研究中心明瑞光教授团队的研究论文“菠萝基因组与景天酸代谢光合作用的演化(The pineapple  genome and the evolution of CAM  photosynthesis)”,福建农林大学为该论文的第一作者单位和第一通讯作者单位。该研究在全世界首次破译菠萝基因组,标志着我校在菠萝基因组和景天酸代谢光合作用研究方面处于国际领先水平。

文章截图

该研究由我校牵头,联合台湾大学、中国科学院、美国依利诺依大学香槟校区等17个研究机构共同完成。菠萝使用一种独特的光合作用途径,称为“景天酸代谢”(CAM),是一种利用昼夜节律的碳固定方法。该项研究在全世界首次鉴定出菠萝基因组中所有参与景天酸代谢途径的基因,首次阐明了景天酸光合作用基因是通过改变调控序列演化而来,并且受昼夜节律基因的调控,是光合作用功能演化研究的重大突破,首次证明了转座子是造成菠萝基因组不稳定的主要因素,而且还首次证明了菠萝基因组可作为所有单子叶植物的参考基因组。该研究成果对包括禾本科粮食作物在内的大量单子叶植物的功能研究和产业发展具有重要的参考意义,对全球菠萝的遗传改良具有里程碑贡献,对我国乃至全球农业的基础研究具有重要意义。

菠萝是全球仅次于香蕉的最主要热带水果,有85个国家生产,种植面积100多万公顷,新鲜菠萝的年产值达86亿美元。闽台地区是我国热带水果产区,我省闽南地区是全国菠萝的重要产区,菠萝也是闽台农业示范园的主产水果,被称为“小金砖”的台湾凤梨酥就是由菠萝生产而得,产值超过260亿新台币。由于受自交不亲和与高杂合度的限制,菠萝品种很难改良,产业发展极其缓慢。本研究成果为改善许多重要的菠萝性状提供了有价值的遗传资源,将极大促进菠萝品种改良和产业发展,对台湾该产业的发展也具有重要意义,将产生重大的经济和社会价值。

该研究成果系我国鲜有以高校自主基因组平台发布的高水平研究成果,该研究成果的发布,是我校基因组研究在国际领域的又一重大突破。基因组与生物技术研究中心是我校海峡联合研究院四大高水平科技创新平台之一,近年来,海峡联合研究院的广大教师和科研人员纷纷发表高水平研究论文,科技创新成果不断涌现,这是我校大力实施人才强校战略的结果,也是我校全面推进高水平大学建设,创新能力不断增强、内涵质量持续提升的重要体现。

参与该研究项目的还有我校生物技术研究中心的唐海宝(共同第一作者)、张积森、黄鲤娴、张令茂、缪文静、张健、叶章尧、林志聪、秦源、王凯、陈立余等研究人员,以及苗晨勇、廖振阳、方静平、刘娟、张晓丹、张清、胡伟长等研究生。

据悉,《自然•遗传学》是英国《自然》系列杂志之一,发表国际遗传学研究的最新发现和重大成果,是全世界最顶级权威学术刊物之一,影响因子为29.352。


Figure 1. Twenty-five pineapple chromosomes organized into pairs  of pairs following two whole genome duplication (WGD) events.  (菠萝25条染色体的两次全基因组复制的图示)

Figure 2. Evolution of the CAM pathway in  pineapple.(菠萝景天酸途径的演化)


在线发布网址:

http://www.nature.com/ng/journal/vaop/ncurrent/full/ng.3435.html


拓展阅读:

菠萝基因组项目主要研究成果

菠萝是世界上仅次于香蕉的主要热带水果,有85个国家生产,种植面积达100多万公顷,每年给全球带来86亿美元的直接经济价值。尽管菠萝有重要的经济价值,由于受自交不亲和以及高杂合度等因素限制,菠萝品种改良进展缓慢。菠萝基因组项目获得了大量的基因组数据资源,将加快菠萝品种改良和产业的发展。

1.鉴定出菠萝基因组中所有参与景天酸代谢途径的基因。

菠萝是具有景天酸代谢(CAM)光合作用的最重要的经济作物。景天酸代谢途径是一种区别于C3植物的碳固定通路,起源于干旱地区,有很高的水分利用效率。相比于典型的C3植物,景天酸代谢植物最高可节水80%,从而可以生长在干旱贫瘠等劣质土地。其他的1万多个种CAM植物分布在35个科,其中包括龙舌兰、仙人掌、火龙果和大多数兰花。对菠萝基因组控制景天酸代谢光合作用通路进行详细分析,鉴定了所有参与景天酸代谢途径的基因。这为后续在作物中通过基因改造景天酸代谢光合作用奠定了基础。

2.首次发现景天酸代谢光合作用受昼夜节律基因的调控。

通过分析参与景天酸代谢光合作用的基因表达的昼夜节律,发现是菠萝β碳酸脱水酶在夜间固定二氧化碳。菠萝的三个β碳酸脱水酶基因的启动子区域都含有一个顺式调控元件CAA1结合位点,这一位点是结合参与昼夜节律调节的核心元件。此外,景天酸通路相关基因富集了多个顺式调控元件,这些顺式调控元件受昼夜节律基因的调控,例如早晨元件(CCACAC)和夜间元件(AAAATATC)。首次发现了景天酸代谢光合作用受昼夜节律基因的调控。

3.菠萝景天酸光合作用是通过改变C3光合作用现有基因的调控元件,有别于其它新性状通过新基因的获得而形成。
菠萝景天酸代谢光合作用的不是通过全基因组复制或串联基因复制产生的重复基因演化而来。景天酸的光合作用所需要的基因存在于每个植物物种中,只是调控元件改变了而已。这使得通过基因组编辑技术来人工改造景天酸代谢光合作用更可行。

4.景天酸的演化是通过在特定时间激活或抑制C3光合作用相关基因的调控元件实现的。  

基因互作网络分析显示景天酸代谢光合作用关键酶的调控元件得到激活或抑制。抑制一些基因在特定时期的表达在景天酸代谢光合作用演化过程中起了重要作用。

5.首次量化了无性繁殖的自交不亲和的农作物的基因组杂合率。

菠萝扩繁是通过无性繁殖,菠萝新苗是通过果实上的“多叶皇冠”获得的,或者是通过生长在母株基部的吸根获得。这使得菠萝基因组的杂合率要高于其他多数作物,约为2%,本研究首次量化了自交不亲和的农作物基因组的杂合率。

6.转座子是造成菠萝基因组不稳定的主要因素。

转座子序列占了菠萝基因组的69%,而且其中一个转座子家族占据了基因组的15%。这说明转座子是造成菠萝基因组不稳定的主要因素,从而引起高速率的体细胞突变。

7.菠萝基因组可作为所有单子叶植物的参考基因组。

菠萝是单子叶植物,在进化树上与禾本科近缘(包括玉米、高粱、小麦、水稻),是禾本科作物比较基因组分析的最好的参考基因组。相比于禾本科植物的三次全基因组复制,菠萝基因组只经历两次全基因组复制,有更少的基因,这也是菠萝用于研究基因功能和互作的一个优势。

8.用25条菠萝染色体重建了单子叶植物共同祖先的7条染色体。

由于菠萝自交不亲和,以无性繁殖为主,有性繁殖世代少,造成较少的后代染色体重组与重排。菠萝染色体组成与单子叶植物的祖先形式更加相似,单子叶植物七条古老染色体得以重建,为阐明最后的共同祖先的基因含量与结构提供了一个很好的参考基因组。

9.菠萝基因组已用于校正古基因组复制事件的发生时间,为估算复制时间提供了目前最好的证据。  

10.菠萝基因组被作为研究高粱种系特异基因家族迁移率的参考基因组,已鉴定出在高粱种中迁移率高的特异基因家族。  


 
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