Molecular Ecology Resources | 黄花棘豆基因组学和共生及产毒机制获得进展

文章标题：Assembly of high-quality genomes of the locoweed Oxytropis ochrocephala and itsendophyte Alternaria oxytropis provides new evidence for their symbiotic rela-tionship and swainsonine biosynthesis

期刊名称：Molecular Ecology Resources

研究物种：黄花棘豆

研究方法：基因组、转录组、重测序、代谢组

太阳集团电子游戏为其提供了基因组测序及组装技术服务。

研究背景

黄花棘豆(Oxyvropis ochrocephala Bunge)隶属于豆科棘豆属，为二倍体(2n=16)多年生植物，是我国草原危害最大的毒害草之一。其能够与内生真菌棘豆链格孢菌Alfernaria oxytropis共生，因该内生真菌合成生物碱苦马豆素(swainsonine,SW)而使植株带有毒性，牲畜误食后导致中毒甚至死亡，对畜牧业发展造成了严重影响。

材料与方法

基因组：黄花棘豆；253.39 Gb Illumina+301.02 Gb Nanopore+330.17Gb Hi-C；棘豆链格孢菌；4.40 Gb Illumina+10.09 Gb Nanopore；

转录组：黄生棘豆无菌幼苗、黄生棘豆及其内生菌共生苗、棘豆链格孢菌；每个材料3个生物学重复；

重测序：从中国3个省13个地理位置采集的黄花棘豆中分离的41株棘豆链格孢菌；19x：代谢组：LC-MS；

代谢组：41株棘豆链格孢菌苦马豆素含量测定

研究结果

1.黄花棘豆及A.oxytropis基因组组装注释

作者利用三代Nanopore、二代Illumina测序技术以及Hi-C技术测序组装获得一个高质量染色体水平的黄花棘豆基因组：其基因组大小为930.94 Mb,contig N50为1.40 Mb，scaffold N50为121.79 Mb，共注释到31,700个蛋白质编码基因。利用三代Nanopore和二代Illumina测序技术测序组装获得一个高质量的棘豆链格孢菌基因组：其基因组大小为74.48 Mb,contig N50为8.87Mb,共注释到10,657个蛋白质编码基因。

2.黄花棘豆及A.oxytropis基因组进化和全基因组复制分析

黄花棘豆基因组进化分析显示，其大约于42.62百万年前分化出来，且与蒺藜苜蓿、大豆具有较近的亲缘关系。黄花棘豆与蒺藜苜蓿之间基因的共线性关系更好，但染色体发生了部分片段的重排，这些重排的基因主要参与代谢途径。黄花棘豆基因组中6,938个基因家族发生收缩，1,862个基因家族发生扩张，在进化过程中发生了一次WGD事件。A.oxytropis基因组进化分析显示，A.oxytropis与同属的其他真菌聚在一起，与不同属中产苦马豆素的真菌相比，A.oxytropis具有该物种最丰富的特有基因家族，主要与代谢途径相关。基于SW合成基因簇的关键基因swnK的系统进化分析发现，有14个目的真菌均含有该基因簇。基于ITS系统进化分析发现，Altemaria属内产苦马豆素(含有swnK基因)的物种聚在一起，与不含swnK基因的物种分离。

3.黄花棘豆与A.oxytropis基因表达

黄花棘豆与A.oxytropis共生/非共生状态下的转录组分析显示，对寄主而言，其与内生真菌共生后差异基因主要与防御以及次级代谢相关；对内生真菌而言，其在寄主体内共生时，参与脂肪酸代谢、氮代谢以及降解细胞壁相关的差异基因被大量诱导上调表达，同时共生诱导了大量SW合成基因的上调表达。

4.A.oxytropis遗传变异影响苦马豆素含量

该研究丰富了前期推测的SW合成通路，进一步分析显示，一个编码P5CR的基因位于SWN簇上，也包含在SWN的全长序列中。对从中国3个省13个地理位置采集的黄花棘豆种分离的41株A.oxytropis的重测序分析显示，一个位点SNP19996与SW含量相关。

研究总结

作者构建了高质量黄花棘豆基因组(958.83Mb)，及其共生真菌A.oxytropis基因组(74.48Mb,contig N508.87Mb)，并对SW生物合成基因进行了细化。41株A.oxytropis的重测序分析找到与SW含量相关位点，转录组分析发现了与宿主的防御和次级代谢相关的差异表达基因(DEGs)。在内生菌中，DEGs与细胞壁降解、脂肪酸和氮代谢有关。共生关系诱导了大部分SW生物合成基因的上调。