兰州大学草地农业科技学院利用基因组学及系统生物学揭示了白花草木樨香豆素生物合成分子机制

日期: 2021-11-24 阅读: 来源: 关键词:

草木樨(Melilotusspp.)属于一年或两年生豆科草本植物,广泛分布于我国东北、西北、华北和西南等地。草木樨根系发达,生长快,盖度大,耐贫瘠,能适应干旱、寒冷和盐碱化等多种环境,被广泛用作饲草、轮作和土壤保持作物。草木樨含有香豆素,可用作药用植物。然而作为牧草,草木樨在贮藏的过程中不具毒性的香豆素会在霉菌的作用下转化为有毒的双香豆素,动物食用后会导致内出血,严重影响其作为牧草的利用价值。因此,解析草木樨香豆素生物合成的分子机制对培育低香豆素草木樨及其推广应用具有重要意义。

近日,兰州大学草地农业科技学院、草地农业生态系统国家重点实验室在期刊Plant Biotechnology Journal上在线发表了题为《Genome and systems biology of Melilotus albusprovides insights into coumarins biosynthesis》(利用全基因组和系统生物学揭示白花草木樨香豆素生物合成机制)的研究论文。首次公布了白花草木樨的高质量基因组,该研究利用基因组、转录组、代谢组、BSA和重测序等技术,结合体内和体外基因功能实验解析了香豆素生物合成的分子机制。

结合二代+三代+Hi-C的测序策略,完成了白花草木樨(2n=16)基因组测序和组装。最终获得的基因组大小为1.05 Gb,Contig N50为7.49 Mb,其中1.04 Gb被挂载到8条假染色体上(图1a)。共注释得到41,910个基因。进化分析表明,白花草木樨与蒺藜苜蓿亲缘关系最近,二者约在14.16 Mya分化。白花草木樨基因组中71.42%为重复序列,其中长末端重复(LTR)占基因组的54.99%,完整LTR在白花草木樨和蒺藜苜蓿分化之后大量插入(0.05~0.85 Mya),具有不同于其他三种豆科物种的插入模式,且相对年轻活性较强(图1b-d)。不同地理区域的94份草木樨种质全基因组重测序分析证实了白花草木樨流向黄花草木樨的基因渗透(图1e和f)。连锁不平衡分析表明黄花草木樨的遗传多样性较大。草木樨在第四纪冰期约0.2 Mya经历了瓶颈期,与LTR的大量插入时间吻合,表明LTR的大量插入可能有助于其环境适应性。

图1. (a)白花草木樨基因组的特征;(b-d)草木樨及其他三个豆科植物LTR比较分析;(e-f)基于D统计的草木樨四类群ABBA/BABA渐渗检验

研究人员构建了草木樨香豆素生物合成通路并鉴定了通路上的13个基因家族的成员。通过近等基因系(NILs)代谢组分析鉴定出差异代谢物包括香豆酸、香豆酸糖苷和简单香豆素,推测BGLU(β-glucosidase)在香豆素生物合成中具有重要作用。利用NILs的BSA及代谢组分析定位到包含6个BGLU的基因簇可能调控香豆素的生物合成,其中的MaBGLU1在NILs中存在非同义突变,MaBGLU1-Ma46的两个碱基插入导致其在第76个氨基酸处翻译提前终止(图2a-d)。通过大肠杆菌异源表达及底物饲喂证明MaBGLU1酶能够水解东莨菪苷为东莨菪内酯,且BGLU1在NILs中的非同义变异导致了酶活性的差异(图2e-f)。白花草木樨中过表达MaBGLU1基因分析表明,过表达植株的MaBGLU1相对表达量明显增加、东莨菪苷和东莨菪内酯含量均增加(图g-h)。该研究证明了MaBGLU1的功能为调控简单香豆素的生物合成,为香豆素生物合成和草木樨低香豆素遗传选育奠定了基础。

图2. MaBGLU基因定位、进化及基因功能分析

兰州大学萃英博士后吴凡、博士生段珍、许攀为并列第一作者,张吉宇教授为通讯作者,王彦荣教授、新西兰草地研究所曹明树高级研究员、国际家畜研究所Chris Jones博士也参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金-国际(地区)合作与交流项目(NSFC-CGIAR)、甘肃省科技重大专项计划课题、公益性行业(农业)科研专项课题、甘肃省知识产权计划项目等项目的资助。

兰州大学草地农业科技学院在王彦荣教授的带领下自2011年以来长期开展草木樨遗传选育,国内外收集草木樨属种质资源700余份,加强与新西兰草地研究所和国际家畜研究所的国际合作,选育的低香豆素草木樨新品系已经进入国家区域试验。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13742

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文:张吉宇
图:张吉宇
视频:
编辑:刘烜均
责任编辑:彭倩

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