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Nature：睡莲基因组

已有 10917 次阅读 2019-12-20 16:00 |个人分类:一周精读|系统分类:论文交流

The water lily genome and the early evolution of flowering plants

First author: Liangsheng Zhang; Affiliations: Fujian Agriculture and Forestry University (福建农林大学): Fuzhou, China

Corresponding author: Liangsheng Zhang

Water lilies belong to the angiosperm order Nymphaeales. Amborellales, Nymphaeales and Austrobaileyales together form the so-called ANA-grade of angiosperms, which are extant representatives of lineages that diverged the earliest from the lineage leading to the extant mesangiosperms. Here we report the 409-megabase genome sequence of the blue-petal water lily (Nymphaea colorata). Our phylogenomic analyses support Amborellales and Nymphaeales as successive sister lineages to all other extant angiosperms. The N. colorata genome and 19 other water lily transcriptomes reveal a Nymphaealean whole-genome duplication event, which is shared by Nymphaeaceae and possibly Cabombaceae. Among the genes retained from this whole-genome duplication are homologues of genes that regulate flowering transition and flower development. The broad expression of homologues of floral ABCE genes in N. colorata might support a similarly broadly active ancestral ABCE model of floral organ determination in early angiosperms. Water lilies have evolved attractive floral scents and colours, which are features shared with mesangiosperms, and we identified their putative biosynthetic genes in N. colorata. The chemical compounds and biosynthetic genes behind floral scents suggest that they have evolved in parallel to those in mesangiosperms. Because of its unique phylogenetic position, the N. colorata genome sheds light on the early evolution of angiosperms.

睡莲属于被子植物门睡莲目。无柚樟目、睡莲目和木兰藤目一起形成了叫做ANA类的被子植物基部类群，是早期分化形成的被子植物。本文中，作者报道了蓝色花瓣睡莲的基因组序列，大小约为409Mb。系统发生基因组学分析显示无柚樟目和睡莲目是所有现存被子植物的基部类群，且无柚樟目处于最基部，而后是睡莲目。作者结合了蓝睡莲基因组和其它19个睡莲植物的转录组揭示了一次由睡莲科和葫芦科植物共享的全基因组复制事件。从这次全基因组复制事件中保留下来的基因参与了睡莲的成花转变和花发育过程。花发育相关的ABCE基因在睡莲中的广泛表达可能揭示了早期被子植物中可能具有类似的、但是广泛激活的古老ABCE花器官决定模型。与核心被子植物类似，睡莲演化出了花香和花色，作者鉴定了潜在的生物合成相关基因。基于化学成分分析和生物合成基因鉴定，作者发现睡莲的花香是与核心被子植物平行演化而来。睡莲在被子植物演化过程中具有独特的进化地位，因此该植物基因组的破译对于研究早期被子植物的演化具有非常重要的意义。

Main results - 1: Phylogenomic analysis

利用6个双子叶、6个单子叶、睡莲、无柚樟的基因组，分别以银杏、云杉、火炬松作为外群，分别鉴定了2169、1535及1515个同源低拷贝核基因（Low-copy nuclear LCN genes）。利用这些LCN基因分别构建了单基因树，发现大多数的基因支持(Gymnosperm,(Amborellales,(Nymphaeales,(Eudicots, Mnonocots))))的拓扑结构（FIgure 1a-c）。

Main results - 2: Genome synteny analysis

睡莲自身旁系同源基因对的Ks分布图显示在Ks=0.9左右处存在一个峰值，而蓝睡莲与睡莲目莼菜科（Cabombaceae）水盾草（Cabomba caroliniana）同源基因对的Ks分布显示蓝睡莲基因组中检测到的全基因组复制事件刚好发生在睡莲科与莼菜科分化之后（Figure 2a）。

然而，作者利用了另一种方法来定位重复事件发生的时间，结果发现在蓝睡莲中检测到的WGD事件是由睡莲科和莼菜科共享的（Figure 2b）。

简单说一下对这个方法的理解，该方法由Zhang et al. 2017年在深圳拟兰基因组中检测WGD时首次提出（DOI: 10.1038/nature23897），方法定义感觉比较复杂，读一遍还是云里雾里的，我的理解是首先利用i-ADHoRe 3.0鉴定anchor pairs（来自同一共线性块上面的旁系同源基因对），然后利用OrthoMCL鉴定基因家族（加物种），去除掉anchor pairs中Ks值大于5的，剩余的anchor pairs中，如果同一个anchor pair内的基因被分配到不同的基因家族，则说明OrthoMCL鉴定有问题，手动合并这两个基因家族，然后选取基因数量不超过200的基因家族，并且至少保证有一对anchor pair和一个外群基因，分别构建进化树（MUSCEL比对，TrimAl处理，RAxML建树），根据树型和物种树来判断WGD发生的时间，如下图：

左边是物种树，右边是某个基因家族的树，蓝色的点和绿色的点代表两个物种的anchor gene，可以看到往回追溯，这两个物种的anchor pairs都可以追溯到同一个brach上面发生了复制事件，根据这种方法判定所有入选基因家族，然后就能得到物种树上每一枝上各个物种中支持WGD的数量，也就得到了本文中的Figure 2b或是深圳拟兰基因组文章中的Figure 3。

作者认为可能的解释有两个：一是该次WGD事件的确发生于睡莲科和莼菜科分化之前，而后莼菜科中丢失了绝大多数的复制拷贝，所以水盾草自身旁系同源基因对的Ks分布未能检测到明显的峰值（Figure 2c）；另外一种可能是睡莲中检测到的WGD信号其实是睡莲科与莼菜科祖先在分化后不久的一次异源多倍体事件，该事件导致了睡莲科这一支系的扩张，而非莼菜科这一支（Figure 2d）。

Main results - 3: ABCE model

作者在蓝睡莲基因组中鉴定了70个MADS-box基因，其中包含了花器官发育的ABCE模型基因：控制花瓣和萼片的A类基因AP1、FUL和AGL6；控制花瓣和雄蕊的B类基因AP3和PI；控制雄蕊和心皮的C类基因AG；以及与ABC类基因能够互作的E类基因SEP1。通过转录组数据分析，作者发现睡莲中AGL6基因主要在花瓣和萼片中高表达，而FUL基因主要在心皮中表达，说明睡莲的AGL6基因发挥着A类基因的功能（Figure 3a）。另外，睡莲中AG基因具有两个拷贝AGa和AGb，分别在雄蕊和心皮中高表达，此外AGb同时还在花瓣和萼片中表达，说明睡莲中的两个AG基因发生了亚功能化以及新功能化。

另外，作者发现相比于单、双子叶植物，睡莲中ABCE模型基因具有更加广泛的表达模式（Figure 3b）。结合一些早期分化的双子叶植物、以及一些单子叶植物和木兰类植物中同样发现了类似的现象，作者认为这可能代表了一种古老的ABCE模型，而后逐渐演变成核心单、双子叶中的严格的ABCE模型。

Main results - 4: Floral scent

睡莲花能够释放大约11种挥发性化合物，包括萜类化合物倍半萜、脂肪酸衍生物和苯类化合物（Figure 4a）。在睡莲基因组中共鉴定了92个萜类合酶基因，系统发育分析显示这些TPS分属于四大类TPSb、TPSc、TPSe/f和TPSg，就是没有核心被子植物中负责倍半萜生物合成的TPSa类基因（Figure 4b）。令人注目的是，睡莲中TPSb类基因有80多个，其中NC11G0123420在花中高表达，说明睡莲中可能是由该基因来负责花中的倍半萜生物合成。另外，这些挥发性化合物还包括了一个未曾在单双子叶植物中鉴定到的、由SABATH家族甲基转移酶基因负责合成的癸酸甲酯。睡莲中的SABATH家族共有13个基因成员，其中12形成了睡莲类植物特有类群。而且，这12个基因中的一个NC11G0120830在花瓣中表达量最高（FIgure 4c），并且其重组蛋白在大肠杆菌中具有脂肪酸甲基转移酶活性，并且以癸酸为底物时的酶活最高（Figure 4d）。这些结果说明睡莲独立于核心被子植物，演化出了能够合成花香挥发性化合物的基因（Figure 4e）。