紫云英共生结瘤的遗传基础及固氮效率差异机制
紫云英(Astragalus sinicus)豆科黄耆属植物，是我国南方最重要的绿肥/覆盖作物。利用冬闲稻田种植紫云英能够增产节肥、合理利用光热资源及改善生态环境，是维持和提高稻田可持续生产力的有效手段。紫云英也可作为牧草、蜜源、蔬菜、中药等综合利用。由于缺乏基因组信息，紫云英的遗传学及共生固氮研究远落后于其他豆科作物。本研究运用第三代PacBio、二代Illumina技术及高通量染色体捕获技术(High Throughput Chromatin Conformation Capture Technology, Hi-C)进行全基因组测序，组装染色体水平参考基因组。利用比较基因组学解析紫云英共生结瘤的遗传基础。分析固氮效率差异品种的根瘤转录组揭示效率差异机制。主要结果与创新发现如下: (1)组装、注释了紫云英参考基因组。最终染色体版本的基因组全长595Mb，ContigN50为1.41Mb，ScaffoldN50为78.42Mb;有575Mb基因组序列被定位到8条染色体上，挂载率高达96.66％。组装序列的完整性和准确性的评估显示，短序列比对率为97.33％，基因组覆盖度为98.37％;BenchmarkingUniversalSingle-CopyOrthologs评估值为91.10％;CoreEukaryoticGenesMappingApproach评估值为96.77％。Hi-C组装评估显示，邻近序列交互强度高于非邻近序列。上述结果表明，所获得的基因组的完整性及准确性良好。紫云英基因组中含有59.84％的重复序列，共注释到34,253个蛋白编码基因，其中有91.50％可以被预测出功能。 (2)明确了转座子爆发与基因组扩增的关系。重复序列有96.97％是转座子，占紫云英基因组的58.03％;大部分是长末端反转录转座子，占紫云英基因组的45.52％。几种豆科植物中LTR总长度和基因组大小间存在显著相关性，斯皮尔曼系数r=0.83。与甘草、鹰嘴豆、苜蓿相比，紫云英中LTR的数量和长度明显扩增，并在0.5MAY有明显爆发，这是紫云英基因组扩增的原因。 (3)解析了紫云英共生结瘤的遗传基础。系统进化分析显示紫云英属于蝶形花亚科中的IRLC分支，26.4百万年前与甘草发生分歧，之后又在19.1百万年前与鹰嘴豆发生分歧。在进化过程中，紫云英与蝶形花亚科共有的全基因组复制事件中保留了关键的共生结瘤基因。相对于紫云英所在分支的共同祖先，紫云英基因组有456个基因家族发生了扩张，164个基因家族发生了收缩。扩张基因家族富集到类黄酮合成通路，该通路中的限速酶-查耳酮合成酶(chalcone synthase，CHS)在紫云英等豆科物种中显著扩增，且在紫云英根部富集表达，从空间上为紫云英成功结瘤提供了必要的类黄酮信号。发现了紫云英中R基因在根系和根瘤中展现出不同的表达模式，R基因在根系中的富集可能增强了根的防御反应，进而弥补了共生过程中植物防御的减弱。 (4)评价了主栽紫云英品种固氮能力，揭示了固氮效率差异机制。不同紫云英品种固氮能力有所差异，总体表现为以弋江籽和宁波大桥为代表的地方种固氮能力高于信紫1号等育成种。弋江籽和宁波大桥与4个复筛菌株共生组合的植株地上部及地下部干重、地上部及地下部氮积累、有效瘤数、根瘤鲜重各项指标均显著高于信紫1号。根瘤中高表达的基因主要有豆血红蛋白、nodule-specificcysteine-rich(NCR)多肽、晚期结瘤素等，上述基因在根瘤固氮中发挥着关键作用。高固氮品种根瘤中糖代谢相关基因上调表达，油脂代谢相关基因下调表达为根瘤菌提供更多碳源;类菌体发育及共生代谢相关基因大部分上调表达，有利于类菌体固氮作用的高效运转。 综上，本研究获得了紫云英全基因组序列，为紫云英分子育种和遗传改良提供了信息资源。揭示了紫云英共生结瘤的遗传基础及固氮效率差异机制，为紫云英共生固氮研究提供了理论基础。
紫云英;共生结瘤;全基因组复制;查耳酮合酶;R基因;固氮效率
中国农业科学院
博士
植物营养学
曹卫东
2021
中文
S541.3
2021-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）