CGM 第179期:生姜染色体水平基因组及其特有成份姜辣素的合成途径

生姜是世界性药食同源辛香蔬菜之一，我国已有2000多年的栽培历史。中国生姜栽培面积、产量和出口量均居全球第一位。长江中上游生姜总面积226万亩，占全国49.7%，是推动乡村振兴的优选产业。姜辣素是生姜特有的呈味物质，也是生姜多种功能活性的主要功能因子，在调味品、化妆品和医疗保健等领域具有广阔的应用前景。然而，长久以来生姜基因组信息的缺乏，限制了我们对姜辣素合成调控机理的理解，导致生姜分子育种发展缓慢。 本研究破解了西南地区主栽品种竹根姜的基因组，利用短读长（369.51 Gb），长读长PacBio（285.81 Gb）及Hi-C（563.16 Gb）策略组装出竹根姜两套单倍型高质量基因组，单倍型的基因组大小分别为1.53 Gb (contig N50: 4.68 M) 和1.51 Gb (contig N50：5.28 M)，98.11%的序列锚定到22条染色体（原论文图1）。PacBio 读长在2个单倍型的overlap分别为 97.95%和98.1%，显示了分型的准确性。两套单倍型的Ka/Ks分析揭示生姜驯化历史过程中经历了相似的选择压力。通过等位基因分析，总共55,635个基因（占所有基因的72%）在两个单倍型中具有同源性。生姜17,226对等位基因中，11.9%在转录水平表现出染色体偏好性（原论文图2）。该研究发现生姜基因组杂合度3.6%，是目前已报道杂合度最高的植物基因组。重复序列高，其中长末端片段重复（long terminal repeats，LTRs）占61.06%，可能是导致其基因组大、杂合度高的主要原因，同时也是生姜基因组进化的主要驱动力。 通过整合基因组、转录组和代谢组数据进行整合分析，该研究构建了生姜特有成分姜辣素的合成通路，筛选出12个参与姜辣素合成的关键酶家族（PAL, C4H, 4CL, CST, C3′H, C3OMT, CCOMT, CSE, PKS, AOR, DHN, 和DHT），鉴定出38个可能调控姜辣素合成的重要转录因子家族，并绘制出姜辣素合成的分子调控网络。