2023年8月26日，Plant Communications在线发表了河北大学杜会龙教授团队题为 “The haplotype-resolved genome assembly of autotetraploid rhubarb Rheum officinale provides insights into the genome evolution and massive accumulation of anthraquinones”的研究论文。该研究构建了药用大黄高质量的同源四倍体基因组，探究了蓼科植物如荞麦和藜科植物的基因组进化与重要基因家族的演化，解析了转座子在基因组进化、基因拷贝数变异和基因表达调控中的重要作用，并揭示了药用大黄根中高蒽醌含量的遗传学基础。安诺优达为本研究提供测序服务。
01 研究背景
药用大黄（Rheum officinale）是蓼科大黄属的一种多年生草本植物，是我国传统中药之一，具有清热解毒、活血化瘀、抗菌、抗病毒、抗炎症、镇痛、调节免疫、抗肿瘤等功效。这主要得益于大黄中富含的蒽醌类、蒽酮类、芪类、鞣质类、苯丙酮类等化合物，而且这些化合物在大黄不同发育阶段和不同组织中的积累存在显著差异。药用大黄作为大黄属中报道的四倍体材料，其为同源四倍体还是异源四倍体，以及它的多倍化事件是否在其表型塑造、物质合成和环境适应性中起重要作用仍然未知。同时，由于药用大黄基因组高杂合、高重复、多倍体的特性，导致对其基因组的解析异常困难，这极大地限制了药用大黄遗传信息的挖掘和利用。
02 研究结果
① 高质量的药用大黄基因组组装和注释
本研究结合PacBio HiFi、Oxford Nanopore和Hi-C等测序技术对药用大黄进行基因组测序组装，得到了7.68Gb基因组序列（Contig N50 3.47Mb，包含2n=4x=44条染色体），其中约83%为重复序列。BUSCO评估基因组完整性为99.3%，Illumina reads和Ultra-long reads的比对率分别为99.88%和99.3%，以上结果说明，本次研究构建了一个高质量的药用大黄同源四倍体基因组。
图1 大黄植物和基因组特征
② 比较基因组和基因家族进化分析
研究人员通过系统发育分析发现，大黄与苦荞和金荞的进化关系最为接近，并于33.4百万年前分化。药用大黄中特异和扩增的基因家族主要参与特殊代谢物合成以及对生物和非生物胁迫的响应，这可能部分解释了药用大黄具有丰富的药用成分和较强的环境适应性的基因组学基础。通过Ks分析，研究人员发现药用大黄共发生过两次全基因组复制事件：一次为核心双子叶植物共有，一次为蓼科物种共同经历。进一步分析发现药用大黄基因组中转座复制基因（transposed duplicated genes）的数目远多于苦荞和金荞，而且这些基因主要富集于细胞响应DNA损伤刺激、根发育和囊泡介导的运输中，表明其在维持基因组稳定性、特定分泌蛋白的运输和根发育中发挥作用。
图2 大黄系统发育分析和全基因组复制鉴定
③ TEs对药用大黄的基因组进化、基因拷贝数变异和基因表达有重要影响
研究人员通过祖先核型演化分析，绘制了蓼科核型演化图谱，推测TE的转位和重组可能导致染色体断裂重排，从而导致了药用大黄（11条）和苦荞麦（8条）染色体基数的差异。同时，发现LTR-RTs尤其是Gypsy超家族中CRM、Athila、Retend和SIRE家族的扩增是大黄单倍体基因组（1.92Gb）远远大于苦荞麦基因组（0.49Gb）的原因。研究也发现药用大黄基因组中存在大量的转座复制基因（TRDGs），其中与根发育相关的TTM3（Triphosphate Tunnel Metalloenzyme 3）基因家族在药用大黄基因组中发生了明显的扩增，而且部分TTM3基因在根中显著高表达，推测该基因家族的扩增在药用大黄根发育过程中发挥着重要的作用。
图3 蓼科核型演化关系以及大黄和苦荞的比较基因组分析
④ 近期形成的同源四倍体及其单倍体基因组的分化
研究人员通过同源染色体之间的序列相似性和Ks值分析，证明了药用大黄是近期加倍的同源四倍体，而且4个单倍体基因组之间同源基因的保留水平较高。进一步通过有害突变检测发现4个单倍体基因组共有的有害突变的数量明显低于单个单倍体基因组，同时还鉴定出了大量等位基因差异和等位基因特异表达基因，这些结果表明基因组多倍化后可以减弱突变对功能性状的影响，并为基因的功能分化提供了分子基础。
图4 同源四倍体确定以及四套同源组之间的比较分析
⑤ 不同组织代谢物和基因表达模式的差异
研究人员通过代谢组分析，在药用大黄中鉴定共出802种已知代谢物，发现不同组织间不同种类的代谢物含量存在显著差异，其中蒽醌类物质在根中的丰度远远高于茎和叶，进一步证明了大黄根部具体更高的药用价值。同时研究人员发现叶片中具有更高含量的单萜类化合物，而根和茎中三萜类化合物含量更高，推测TPS基因以及OSC基因在不同组织中的表达模式差异可能与萜类化合物在不同组织中的含量相关。
图5 不同组织代谢物含量和基因表达模式差异
⑥ 蒽醌生物合成关键基因分析
研究人员进一步联合多组学数据分析，发现大黄蒽醌生物合成相关的基因数目发生了明显的扩增，并且很多与蒽醌类物质合成相关的酶基因在根中高表达，可能导致了大黄根部蒽醌含量远高于其他组织的重要原因。四个等位基因之间的表达差异可能是由于TE的插入导致的。
图6 不同组织蒽醌类物质含量差异和蒽醌生物合成通路上的基因数目和表达情况
总之，该研究首次解析了同源四倍体药用大黄的基因组信息，为药用大黄重要功能基因的挖掘和分子育种提供了重要的基因组资源。
河北大学杜会龙教授为论文通讯作者，硕士研究生张宏宇和青年教师何强博士为本文第一作者，中国农业大学林涛教授对该工作进行了指导和帮助。杜会龙教授团队主要是基于各类测序数据的基因组组装流程开发、复杂植物高质量基因组的构建、比较基因组分析、功能基因组分析、泛基因组分析以及图形基因组构建及应用等工作，开展了深入的研究，极大地推进了本领域的研究进展。
参考文献
Zhang H, He Q, Xing L, Wang R, Wang Y, Liu Y, Zhou Q, Li X, Jia Z, Liu Z, Miao Y, Lin T, Li W, Du H. The haplotype-resolved genome assembly of autotetraploid rhubarb Rheum officinale provides insights into the genome evolution and massive accumulation of anthraquinones. Plant Commun. 2023 Aug 26:100677. doi: 10.1016/j.xplc.2023.100677. Epub ahead of print. PMID: 37634079.