近期，河北大学生命科学学院杜会龙团队在Horticulture Research（IF=8.70）上发表了题为The genome of okra (Abelmoschus esculentus) provides insights into its genome evolution and high nutrient content的关于黄秋葵基因组研究的论文。基于PacBio HiFi和Hi-C辅助组装技术，研究人员构建了一个高质量的秋葵参考基因组，对黄秋葵中扩张基因家族与环境适应的关系和锦葵科物种中广泛存在的古老WGD事件进行深度探究，同时，结合转录组和代谢组联合分析，阐释了黄秋葵生物活性物合成的关键调节基因。该研究对黄秋葵功能基因组学的研究和进化提供了宝贵的资源。安诺优达提供二代/三代建库测序、Hi-C建库测序服务。
01 研究背景
秋葵（Abelmoschus esculentus L.）属于锦葵科一年生植物，因其独特的外形，也被称为“美人指”，广泛分布在热带和亚热带地区。秋葵含有丰富多样的营养物质，具有药食两用的特性，常食秋葵具有保护皮肤抗氧化、健胃消食、调理肠胃、清空肝毒、增强人体免疫功能的效果。然而，虽然秋葵享有“蔬菜之王”的美誉，但人们对其高营养价值背后的机制知之甚少。因此，构建秋葵基因组，解析秋葵优质性状背后的分子机制和遗传机制，探究秋葵的进化驱动和环境适应是急需解决的科学问题。
02 研究结果
高质量秋葵基因组的构建
通过58.66Gb的高准度HiFi长读长数据和55.18Gb的Hi-C数据，研究人员构建了一个1.19Gb大小的高质量秋葵基因组。该基因组共由128个Contig组成，Contig N50达到16.98Mb，锚定了96.96%的组装序列，Busco评估高达99.0%。此外，研究人员从组装的65条染色体中鉴定到117个端粒重复区域，其中53条染色体可以检测到双端粒序列的存在。综上，这是一个具有高连续性、准确性和完整性的秋葵基因组。此外，通过对基因组特征的分析，该基因组被清晰地分成了两个亚基因组：基因组A（含有30条染色体）和基因组B（含有35条染色体），且在A基因组中发现了大量的转座元件TEs（55.59%）和长末端重复序列LTR（32.26%）。
秋葵基因组的组装
秋葵基因组进化与全基因组复制
通过对112个单拷贝同源基因构建的系统发育树分析表明，秋葵与洋麻是12.8百万年前的共同祖先分化而来的，秋葵自身A、B亚基因组的偏离发生在5.4百万年前，且这两个基因组之间发生过多次裂变和融合，这可能导致了它们染色体数目的差异。基因家族分析表明，秋葵A、B亚基因组分别扩张了3,083和2,427个基因家族，其中分别检测到105（A）和66（B）个快速扩张的基因家族。A快速扩张基因家族对于生长素响应、细胞壁修饰等方面具有重要作用，B家族高度匹配昼夜节律和光合作用相关通路。因此，研究人员推测A、B基因家族的功能多样化可能为秋葵高度的营养合成和环境适应能力提供了遗传基础。接着，对锦葵科的全基因组复制事件研究表明，秋葵一共经过了4次不同的WGD事件，2次为秋葵特有，1次为秋葵、洋麻、木芙蓉共同经历，1次为锦葵科共有。在此基础上，研究人员根据双子叶植物祖先染色体核型，深度揭示了锦葵科物种中广泛存在的WGD事件，并绘制了锦葵科的核心演化图谱。
锦葵科植物广泛的全基因组复制和核型进化
秋葵主要活性物潜在合成机制的剖析
最后，为揭示秋葵主要活性物质及其潜在生物合成机制，研究人员对不同发育阶段和不同部位的秋葵样本进行了转录组和代谢组分析。研究发现，秋葵中含量最高的化合物是类黄酮，占所有代谢物的33.11%，其次为酚酸和生物碱，此外，代谢物含量在不同的发育阶段和器官中会表现出特定的分布模式。转录本分析鉴定到37,493个差异表达基因，这些基因被分为了8个具有不同表达模式的合集；其中，在成熟的豆荚中发现大量与次级生物合成相关基因的高表达，例如苯丙氨酸的生物合成和代谢等。进一步的联合分析表明，由2,306个差异表达基因组成的模块与芥子酸（关键的酚酸）的含量具有显著相关性，同源基因分析表明该模块中的参与芥子酸合成的关键基因在秋葵中具有更高的拷贝数。因此，结合芥子酸的抗氧化、抗癌和消炎作用，研究人员推测次生代谢产物，例如芥子酸等的高度生物活性，对于秋葵的高营养价值做出了突出的贡献。
转录组和代谢组解析芥子酸的生物合成途径
03 研究总结
本研究通过PacBio HiFi高通量测序数据与Hi-C辅助组装技术获得了一个高质量的秋葵基因组。结合现有的基因组资源，研究人员构建了锦葵科物种的系统发育关系以及进化历史，同时，揭示了锦葵科物种广泛存在的WGD事件，并绘制了锦葵科核型演化图谱。另外，通过转录组与代谢组学联合分析，研究人员揭示了秋葵不同发育阶段基因表达与营养物质动态变化的关系。总之，本研究为锦葵科进化研究、秋葵功能基因组学研究及其品种改良提供了重要数据资源和理论参考。
04 参考文献
Ruyu Wangand others, The genome of okra (Abelmoschus esculentus) provides insights into its genome evolution and high nutrient content, Horticulture Research, 2023; uhad120,https://doi.org/10.1093/hr/uhad120