2020年10月8日,福建农林大学基因组与生物技术中心联合中国科学院西双版纳热带植物园等多个单位共同合作的榕-蜂协同进化研究成果以“Genomes of the banyan tree and pollinator wasp provide insights into fig-wasp coevolution”为题在国际顶级期刊Cell上在线发表。文中利用北京百迈客生物科技有限公司的Hi-C建库测序技术,并结合明瑞光课题组独立研发的ALLHiC算法成功的将小叶榕和对叶榕组装至染色体水平,并对榕树气生根、性别决定基因、榕树进化以及榕蜂共生体系专性协同进化等进行研究。该研究为明瑞光教授团队继18、19年连续两年论文刊登著名期刊Nature Genetics[1-2]后的又一次突破性成果!

 

榕树是热带和亚热带植物,他们的气生根沿着寄主树木的树干下降到土壤中,使许多榕树物种能够像半附生植物一样生活。细叶榕(Ficus microcarpa)、对叶榕(Ficus hispida)分别代表了两种不同的生长形式:雌性同株/半附生和雌雄异株/非附生不同的榕树与其传粉蜂形成了专性互利共生关系。高质量基因组为研究气生根基因、雌性同株和雌雄异株以及共生系统中的共分化提供了深入的见解和基因组资源。

 

 

作者首先完成细叶榕、对叶榕及细叶榕传粉小蜂基因组组装注释

(1)细叶榕使用~84X PacBio RSⅡ(36.87 Gb)完成426Mb 基因组组装(预估436 Mb,97.7%),contigN50=908 Kb, BUSCO评估为95.6%;并通过ALLHiC将423 Mb基因组挂载至13条染色体上。注释29,416个蛋白编码基因(BUSCO评估为94.4%)
(2)叶榕使用~97X PacBio RSⅡ(36.12 Gb),最终组装360 Mb基因组(预估370Mb 97.3%),contigN50= 492 kb,BUSCO评估为97.4%;并通过ALLHiC将 359 Mb基因组挂载至14条染色体上,与高密度遗传图谱具有高度一致性。注释27,211个蛋白编码基因(BUSCO评估为95.7%)
(3)K-mer评估显示榕小蜂Eupristina verticillata)具有较高杂合(1.1%),使用~170X PacBio(65 Gb)进行基因组组装,通过去冗余后最终组装387 Mb 基因组(预估 382 Mb), contig N50=3.1 Mb,BUSCO评估为97.7%。经过从头预测、同源预测及转录组预测,最终注释14,312个蛋白编码基因(表1)。

将细叶榕的传粉小蜂E. verticillata与对叶榕的传粉小蜂Ceratosolen solmsi基因组比对发现两者的分化时间~41.5 Mya,与细叶榕和对叶榕的预估分化时间非常相近(~40 Mya)。

 

表1 细叶榕、对叶榕及榕小蜂基因组组装及评估结果

 

两种榕树基因组比较发现有大量结构变异,细叶榕的3号染色体FmChr03,与对叶榕3号及7号染色体(FhChr03、FhChr07)发生融合或裂变事件,重排区内的基因富集显示主要与植物免疫功能有关。两种榕树在真双子叶植物的三倍体事件之后,均没有检测到全基因组复制(WGD)事件。全基因组比对分析表明,两个榕树基因组共有约38Mb 片段重复(SDs),表明SD是基因组规模扩大的主要因素。

 

图1 对叶榕与细叶榕基因组特征圈图

 

细叶榕与对叶榕显著差异表现为前者有气生根而后者没有,为了寻找触发气生根的途径,作者在气生根尖鉴定到811个高表达基因。这些高表达的基因在一系列与运输相关的生物过程中显著富集。通过对PIN家族的系统发育分析,发现PIN1基因存在显著的拷贝数变异(CNV),并确定了两个进化的PIN1亚群。第一组(PIN1a)在两种榕树和拟南芥中均被鉴定到,第二组(PIN1b)仅于两种榕树中。RNA-seq表明,FmPIN1a在大多数被测组织中均有表达,而FmPIN1b1FmPIN1b2FmPIN1b3在气生根样品中高表达。光受体CRY2和PHR2的拷贝数增加,TAR(如TAT2a、TAT2b和TAT7b)和YUC编码基因(如YUC6)的表达增加进一步加速了IAA的积累,与对叶榕相比,细叶榕气生根尖的内源生长素浓度高出5倍。说明生长素的增加引发了气生根的发育,光促进的生长素依赖途径与气生根的发生、生长和形态形成有关。

 

图2 细叶榕气生根发育的遗传基础

 

为了研究对叶榕的性染色体进化与性别决定基因,作者构建了超高密度遗传图谱。在Chr12中,起始~2 Mb区的一个非重组区被鉴定为性别决定区(SDR),并在该区域高置信度地注释了一个MADS-box转录因子(Fh.12g000020)。12号染色体上一个不重组的性共分离区的鉴定表明,雌雄异株的对叶榕已经进化出一对初生的性染色体。

此外,作者新开发了染色体定相方法并重新组装了X和Y染色体。X染色体和Y染色体中分别为21.9 Mb和22.6 Mb,表明Y染色体已经扩展了700 kb(图3C)。比较X和Y染色体,结合存在或缺失变异(PAV)分析及RNA-seq分析以及重测序比对,显示蛋白编码基因(Fh.12g000020)基因只存在于雄性基因组中,而不存在于雌性基因组中,是影响性别决定的主要因素(图3E)。

花发育C类基因AG在雌雄异株的对叶榕中有两次重复,而在雌雄同株的细叶榕中没有重复。FhAG2定位于SDR,无X等位基因,具有雄性特异性,是性别决定的有力候选基因。并且AG旁系同源基因在其他三种雌雄异株物种中,仅在雄性基因组内存在。

 

图3 对叶榕Y染色体及性别决定基因鉴定 

 

利用112份榕树材料的基因组重测序数据,建立了榕树的系统发育史,其中包括62种榕树属,包括2个雌雄同株亚属(Pharmacosycea, Urostigma)和4个雌雄异株亚属(Sycidium,Sycomorus, Synoecia ,Ficus),它们代表了榕树的6个亚属和主要分支。白肉榕亚属(Pharmacosycea)被分至两类,进化树、ADMIXTURE、遗传相关性分析及ABBA-BABA分析发现了整个属存在潜在广泛的种间杂交。系统发育揭示了雌雄同株代表了整个属的祖先繁殖系统(图4)。分化时间显示,始新世时期(约47.5 Mya)出现了雌雄同株和雌雄异株的分化。

 

图4 榕树进化史

 

七千五百万年来,榕树和榕小蜂之间的专性协同进化在这个协同进化系统中形成了形态和生理上的相适应。榕树在全球和当地都有极高的物种多样性,同域近缘榕果物种间生殖隔离的主要原因是传粉蜂的特异性。为了探讨榕果与传粉蜂协同进化的潜在分子机制,作者利用14个来自Sycomorus亚属的榕树和其相应传粉蜂的重测序数据进行分析。系统发育分析表明,在这个分类水平上,寄主关联具有很强的保守性,同时也检测到一些寄主转移事件。为了确定在这些协同进化的物种中可能经历了相互选择和分化的候选基因,作者利用Tajima’D和SweeD分析对榕果和传粉蜂基因组进行了选择性清除分析,显示在榕果和传粉蜂中生长相关的基因、榕果挥发物相关基因和传粉蜂化学感应系统相关基因受到一定的选择作用。并通过榕小蜂对三种不同榕果释放挥发物质的电生理测试,支持了甲羟戊酸和莽草酸途径在吸引特定传粉者方面的重要作用(图5),揭示了在这种专性互利共生中共分化的潜在分子机制。

 

图5 共进化和与形态学有关的基因的群体研究

 

团队介绍

福建农林大学基因组与生物技术研究中心成立于2013年,由教育部“长江学者”明瑞光教授担任首席科学家及中心主任,主要以甘蔗、木瓜和菠萝等热带、亚热带作物以及区域特色作物作为研究对象。成立短短几年来,已在《Cell》、《Nature Genetics》、《Genome Research》、《Genome Biology》、《The Plant Journal》等刊物发表系列高水平文章,培育了大批高水平生物学人才。明瑞光教授为本文通讯作者。

中国科学院西双版纳热带植物园热带森林生态学重点实验室动植物关系研究组(EEPAI)建立于2002年,由中国科学院西双版纳热带植物园主任、中国植物园联盟理事长陈进研究员担任研究组组长,试图用野外生态学、分子生态学和生物化学等多学科研究手段,研究动植物相互关系对生态系统的影响及其在进化上的意义,几年间已在动植物相互关系及协同进化、生态学及环境教育等领域发表系列高水平文章。陈进研究员为本文共同通讯作者。

本文第一作者张兴坦副教授,硕士生导师。2015年7月进入福建农林大学基因组与生物技术研究中心工作。主持国家自然科学基金1项,福建省基金1项。近年来以第一作者或共同第一作者在Cell,Nature,Nature Genetics, Nature Plants,Plant Biotechnology Journal等国际学术期刊发表SCI论文多篇。

本文第一作者王刚副研究员。2013年进入中国科学院西双版纳热带植物园工作;承担科研项目情况:中国科学院人才项目,中国科学院青年创新促进会会员;国家自然科学基金面上项目;国家自然科学青年基金项目等。

 

百迈客Hi-C优势

自2016年初以来,百迈客利用Hi-C技术进行染色体水平的基因组组装及染色体三维构象的研究,成功开发出六碱基、四碱基酶切方案,组装、互作轻松拿下。截至2020年9月,百迈客Hi-C完成300多个物种,文库数量已经近2000个,文库含酶切位点的有效数据比例最高达93%以上。自2018年5月第一篇高质量亚洲棉基因组文章见刊起,百迈客Hi-C项目成功案例相继见刊势如破竹。短短2年间,成功案例已突破40余篇,更是有超过5篇合作案例刊登于顶尖杂志Nature Genetics,其中不乏二倍体、同源多倍体、异源多倍体等复杂且高质量基因组的获得,高阶文章的连续发表印证了百迈客Hi-C技术在科研领域中的绝对优势。

 

参考文献:

[1] Zhang J, Zhang X et al.,Allele-defined genome of theautopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum L.Nature Genetics.2018.

[2]Chen L ,VanBuren R, Paris M et al.,The bracteatus pineapple genome and domestication of clonally propagated crops. Nature genetics.2019.

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