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近日，中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所張建國研究員團隊在沙棘染色體進(jìn)化及重要經(jīng)濟性狀的調(diào)控機制研究方面取得新進(jìn)展。研究首次組裝了沙棘亞種-蒙古沙棘染色體級別的基因組，并結(jié)合比較基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組以及重測序等方法，系統(tǒng)研究了沙棘基因組染色體進(jìn)化以及調(diào)控果實中脂肪酸和抗壞血酸合成的關(guān)鍵基因，解析了沙棘重要經(jīng)濟性狀形成機制，豐富了進(jìn)化基因組研究的數(shù)據(jù)資源，為開展沙棘全基因組選擇育種奠定基礎(chǔ)。相關(guān)成果以《基于基因組學(xué)和群體遺傳學(xué)揭示沙棘染色體進(jìn)化及重要活性物質(zhì)的驅(qū)動作用》(Genome sequence and population genomics provide insights into chromosomal evolution and phytochemical innovation of Hippophae rhamnoides)為題發(fā)表在《植物生物技術(shù)》(Plant Biotechnology Journal)上。

沙棘屬(Hippophae L.)是胡頹子科(Elaeagnaceae)中最具經(jīng)濟價值和生態(tài)功能的一種具有固氮功能的一個屬，廣泛分布于歐亞大陸，面積約有150萬公頃。沙棘除了作為防風(fēng)固沙和水土保持的“先鋒樹種”，還因其果實富含維生素C、不飽和脂肪酸、黃酮類化合物、甾醇類化合物等200多種生物活性物質(zhì)和營養(yǎng)成分，在心血管病防治、癌癥治療、燒傷和燙傷的快速修復(fù)等方面具有很高的醫(yī)療價值，是一種藥食同源樹種，被稱為“VC之王”和“超級水果”。沙棘作為多用途樹種被國家林業(yè)和草原局列為優(yōu)先發(fā)展的重要經(jīng)濟林樹種之一。

研究團隊利用第三代PacBio、二代Illumina和HiC技術(shù)，對蒙古沙棘(H.rhamnoide ssp.mongolica)進(jìn)行了全基因組測序和組裝。蒙古沙棘(2n=24)基因組全長849.04 Mb，重復(fù)序列占67.81%，共注釋到30,864個基因，Contig N50和Scaffold N50分別為2.15 Mb和69.52 Mb。研究發(fā)現(xiàn)，沙棘與核心真雙子葉植物共享全基因組六倍體化事件(γ事件)后，又經(jīng)歷了兩次最近的全基因組加倍(WGD)事件，分別發(fā)生在24-27Mya和36-41Mya。兩次加倍事件促進(jìn)了沙棘脂肪酸和抗壞血酸生物合成相關(guān)基因的擴張，而與LTR重復(fù)序列的擴張無關(guān)。沙棘基因組相對于其他物種具有更快的進(jìn)化速率，兩次WGDs后均發(fā)生了大規(guī)模的基因組分離和重組，導(dǎo)致14條祖先染色體共發(fā)生了29次融合，反映了沙棘染色體進(jìn)化的復(fù)雜性。

長期以來，由于基因組信息的缺失，沙棘脂肪酸和抗壞血酸等重要化學(xué)物質(zhì)的生物合成機制的研究嚴(yán)重受阻，染色體進(jìn)化對這些重要性狀多樣化的貢獻(xiàn)也不十分清楚。該研究對脂肪酸和抗壞血酸含量差異較大的三個沙棘群體(蒙古沙棘野生種、蒙古沙棘栽培種和中國沙棘野生種)進(jìn)行了重測序，解析了三個群體遺傳結(jié)構(gòu)，聯(lián)合比較基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組等多組學(xué)分析，采用多策略組合掃描受選擇區(qū)域，共篩選得到調(diào)控沙棘果實不飽和脂肪酸和抗壞血酸含量的FAD2、LOX、GalPP和GGalPP等關(guān)鍵基因，并且發(fā)現(xiàn)這些基因還受到沙棘基因組WGD的擴張并伴隨基因組分離重組而分散在不同染色體上。

中國林科院林業(yè)研究所在讀博士生于立洋、經(jīng)濟林研究所博士刁松鋒和林業(yè)研究所博士張國昀為論文共同第一作者，中國林科院林業(yè)研究所研究員張建國與何彩云、華北理工大學(xué)副教授王金朋為論文共同通訊作者。本研究得到了林業(yè)公益性行業(yè)科研專項重大項目、國家自然科學(xué)基金以及中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項的聯(lián)合資助。(科技日報記者 馬愛平 通訊員何彩云 段愛國)