植物通讯 香蕉 TT 基因组发布用于纤维用途

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香蕉(Musa spp.)是一种大型单子叶草本多年生植物,属于姜目芭蕉科。 主要产于东南亚、非洲、南美洲的热带、亚热带地区。 香蕉植物除了是人们日常食用的热门新鲜水果外,还可以加工成日常生活必需的各种产品,例如天然纤维,用途广泛,经济价值巨大。

香蕉种质资源多样性十分丰富。 栽培香蕉有 A、B、S 和 T 基因组类型。 前三种主要存在于Enmusa组(Enmusa,2n=22)的种质中。 T基因组起源于澳大利亚香蕉。 组种质(Australimusa,2n=20)。 澳大利亚的代表物种包括纤维用蕉麻 (Abaca, abaca) 和富含类胡萝卜素的栽培型 Fe’i (Musa troglodytarum)。

蕉麻是广泛分布于热带地区的纤维作物,也是菲律宾等国的特色经济作物。 马尼拉麻纤维的巨大优势在于其优异的机械性能和耐腐蚀性。 它被认为是所有天然纤维中机械性能最好的,常用于生产特种绳索、纺织品和其他轻工产品。 蕉麻纤维是一种可再生资源,最近被用作基础设施、汽车车身部件和航空航天材料中使用的纤维复合材料的替代原材料。 这些特性使蕉麻纤维成为各种工业应用的首选纤维材料之一。

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尽管M. textillis的基因组草图已经发表,但蕉麻植物优异纤维特性的机制仍不清楚,这极大地限制了蕉麻遗传改良及其在作物中利用的研究。 组装高质量的香蕉T基因组对于深入研究芭蕉属植物的进化、分析马尼拉麻纤维性能形成和类胡萝卜素积累的分子机制具有重要意义。

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2023年9月3日,《植物通讯》在线发表了广东省农业科学院香蕉遗传改良研究员易干军团队及团队的题为“两株澳大利亚香蕉的高质量参考基因组组装提供遗传学见解”的研究广西大学陈玲玲教授。 芭蕉科的多样性和优良纤维特性的调节机制”研究论文。 本研究论文构建了高质量的香蕉TT基因组,探索了芭蕉属物种的基因组进化和全基因组复制事件,分析了转座子和染色体重排在基因组进化中的重要作用,最后基于基因组、比较转录组和生理学研究生化实验分析揭示了蕉麻优良纤维性能的遗传调控基础。

这项研究结合了 PacBio CLR、Illumina 和 Hi-C 测序技术,组装了香蕉祖先物种的两个染色体水平二倍体 TT 基因组。 该材料源自具有优质天然纤维的蕉麻和富含类胡萝卜素的芭蕉。 troglodytarum Utafun,基因组大小分别为 613 Mb 和 619 Mb,均包含 10 条染色体。 芭蕉科物种都共有三个全基因组加倍事件,因此其染色体数目的变化主要归因于染色体重组。 通过全基因组共线比对,绘制了TT基因组的核型进化图。 在芭蕉属中,转座子解释了 95% 的基因组大小变异。 转座元件的持续扩增和中间 DNA 元件的缓慢去除解释了 TT 基因组的大尺寸。 此外,蕉麻基因组扩增了大量与细胞壁生物合成相关的基因家族,而Utafun基因组扩增了与生长发育相关的基因家族,凸显了物种进化过程中对不同农艺性状选择的偏好。 高质量的TT基因组组装将帮助我们更好地了解香蕉的进化历史以及独特稀有物种的培育。 (图1)。

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图1 香蕉基因组结构及进化分析

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图1 香蕉基因组结构及进化分析

笔者生理生化实验分析表明,蕉麻假茎富含纤维素、木质素和半纤维素,具有极强的力学性能(图2)。 我们进一步结合比较基因组和跨物种比较转录组分析筛选出与纤维素和木质素相关的候选基因,并通过双荧光素酶报告基因实验验证转录因子对候选基因的调控作用,阐明蕉麻优良纤维特性的转录植物。 该调控依据为香蕉的功能基因组学和农艺性状改良提供了理论依据(图3)。 该研究为应用多组学分析识别与重要农艺性状相关的候选基因提供了重要参考。

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图2 香蕉和剑麻成熟期和幼龄期的细胞壁结构和假茎组织组成

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图3 香蕉优良纤维特性的转录调控基础

华中农业大学博士研究生周润(现为华中农业大学博士后)、博士研究生王硕、广东省农业科学院果树研究所博士后Jenny(现为华中农业大学博士后)廊坊师范大学博士后)为该论文的共同第一作者,广东省农业科学院果树研究所盛欧研究员、易前军研究员和广西大学陈玲玲教授为该论文的共同第一作者。论文的通讯作者。 广东省农业科学院果树研究所香蕉遗传改良团队李春雨、董涛、杨巧松、胡春华、毕方成、邓贵明、何伟迪、高慧君、窦同心、刘斯文西南大学启高、党江波,广西大学王令强、宋佳明等。 参与了本文的研究内容。 该研究得到了国家重点研发计划(2019YFD1000203、2019YFD1000900)、国家自然科学基金(32270712)、国家香蕉产业技术体系(CARS-31-01)、广东省科技厅的资助农业农村部、广东省农业科学院、岭南现代农业实验室等项目。

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