黄麻（Corchorus sp.），一年生草本植物，是最重要的韧皮纤维作物。是全球第二大天然纤维作物，仅次于棉花（Gossypium sp.），黄麻纤维占全球韧皮纤维的80％。黄麻具有许多优良的农艺性状，世界范围内对黄麻需求也日渐增加，但分子水平上对黄麻的了解知之甚少，这使黄麻的遗传改良具有局限性。
近日，中国农科院麻类研究所联合国内外3家单位，在国际期刊The Plant Journal杂志上发表了题为“Multi-omics provides new insights into the domestication and improvement of dark jute (Corchorus olitorius)”文章（图1）。通过基因组、转录组、表观修饰组联合分析的手段揭示了黄麻的耐盐适应机制和驯化历史，并通过全基因组关联分析发现黄麻11个重要性状的候选位点。该研究为黄麻未来的耐盐等抗逆性和纤维育种提供了宝贵的遗传资源，而且对回顾早期作物育种的遗传基础具有重要意义。
该研究联合使用Nanopore long reads (111.02 Gb), 10X Genomics (10XG) sequencing (94.72 Gb)以及 chromatin conformation capture (Hi-C) (48.24 Gb) 多种测序技术对黄麻耐盐品种 TC008-41的基因组进行测序、组装以及注释。获得了411.26 Mb 染色体版本的基因组，Contig N50为4.13 Mb， BUSCOs评估基因组完整度为99.34%，LAI评估指数为14，QV值40.83，超过了脊椎动物基因组计划（VGP）标准的QV40 （图1a）。这些指标说明新组装的基因组具有很好的完整性和准确性，可作为黄麻基因组学研究的参考序列。通过构建13种植物的最大似然树对黄麻适应性进化中的基因家族扩张和收缩进行评估。C. olitorius和C. capsularis之间的分化日期估计为16.5 Mya（95%置信区间：4.7-31.0 Mya）（图1c），共发现77个基因家族在黄麻祖先中经历了扩张。在C. olitorius中发现了228个基因家族扩张，包含2351个基因，主要富集于五个核苷酸修复相关途径和氧化-还原途径。这些结果表明，扩张的基因家族通过快速的DNA修复和清除活性氧（ROS），增强黄麻对非生物胁迫的抵抗力。
在C. olitorius的进化过程中，扩张的基因家族在其环境适应性方面发挥重要作用。其中132个驯化的基因属于扩张基因家族，主要富集于三个抗逆相关的代谢通路。并且发现与盐害指数相关的GWAS基因更多与扩张和驯化有关，这说明土壤中盐分的差异介导了环境适应性的选择。对250 mM盐胁迫处理下的C. olitorius 两个种系 TC 和NY/252c (NY) 进行转录组和表观组分析，发现38.71%（910/2,351）的扩张基因和72.99%（1,527/2,092）的驯化基因有明显的表观修饰和/或转录水平差异，142个扩张基因在C. olitorius两个品系中上调表达，其中24个基因在mC-差异甲基化区域显著下调，并且这142个基因主要富集于5个植物应对非生物性胁迫的代谢通路中（图2）。例如，COS01g_00440在两个材料中均表达上调、外显子m6A修饰上调同时被两个上调的miRNAs (PC-5p-3280_3996和mtr-MIR2592ay-p5_2ss6AG17CG)靶标。这些结果表明，在基因家族驯化过程中，经历进化的基因具有明显的表观遗传和转录表达变化，可能在植物盐胁迫适应性的形成中发挥重要作用。而基因及其调控序列的表观遗传学修饰或编辑可能促进植物耐盐性的分子育种。
耐盐GWAS关联候选基因中，有两个上调的基因（COS05g_02894和COS04g_00516）属于L-抗坏血酸过氧化物酶（APX）基因家族和一个单脱氢抗坏血酸还原酶COS04g_00816都参与抗坏血酸盐代谢途径，来清除ROS（图3a和3b）。并且转录组数据同样发现在TC 和NY品系中上调的基因促进了抗坏血酸盐代谢通路循环：首先上调的COS05g_02894和COS04g_00516高表达APX催化酶加速H2O2的清除，而底物抗坏血酸盐被氧化成单脱氢抗坏血酸盐，m6A修饰的上调基因COS04g_00816编码单脱氢抗坏血酸还原酶促进单脱氢抗坏血酸盐还原成抗坏血酸盐，从而加速了抗坏血酸盐代谢通路循环，促进了H2O2清除。根据以上结果推测黄麻可通过抗坏血酸循环途径清除ROS，促进渗透调节和水的有效利用，从而提高了耐盐性。TC和NY品系中有31个差异表达基因在ABA合成途径显著富集（图3c和3d）,其中包括一个与盐害指数性状关联的基因COS01g_00888，并且该基因具有m6A甲基化修饰，和一个驯化基因COS02g_01244（图3c），说明这些基因在黄麻盐胁迫适应中起到关键作用。
据该研究第一作者中国农科院麻类研究所副研究员杨泽茂介绍，该研究是在前期研究基础启发下，系列研究成果的一部分。前期中国农业科学院麻类所种质资源团队通过比较转录组分析发现甲流氨酸代谢通路和耐盐相关，推测RNA甲基化在植物抗逆中具有重要作用（图4），该研究发表于Genes (Yang ZM et al. 2017, IF= 3.191)和PLoS One (Yang, ZM et al. 2017, IF= 2.76)。
为了进一步证实m6A甲基化在植物抗逆中的作用，该团队对拟南芥进行逆境处理，发现在逆境处理下植物体内mRNA转录水平和m6A甲基化负相关，而且发现大量基因富集在植物激素代谢通路，氧化还原相关通路，甲流氨酸代谢通路和次生代谢通路等，这些通路中更多基因发生m6A甲基化或去甲基化修饰（图6），该研究发表于Science of The Total Environment (Yang ZM et al. 2021, IF=10.753)。
另外，为了开展该研究，前期我们进行了黄麻多组织转录组测序和452份黄麻种质资源群体结构分析，为黄麻基因组注释，黄麻核心种质资源构建和黄麻耐盐基因挖掘构建了丰富的数据库资源，该研究发表5篇SCI论文（Yang ZM et al. BMC Genomics, 2020, 21(19)，IF=3.969; Yang ZM et al. Industrial Crops &Products, 2020, IF=5.645; Yang ZM et al. Scientific Reports, 2017, IF=4.122; Yang ZM et al. Genome, 2017, IF=2.25; Yang ZM et al. Biotechnology & Biotechnological Equipment, 2018, IF=1.09）。为了发掘黄麻耐盐机理，种质资源团队以耐盐种质(TC)和盐敏感种质(GFG)为亲本，构建了F2遗传群体；并利用其F2:3群体定位了芽期16个耐盐QTL，其中主效QTL qJST-1在多环境中被发现（图8）。通过序列比对发现qJST-1定位于本团队组装的高质量基因组6号染色体51036058-51909126 bp物理区间，包含125个基因,包括该研究GWAS到的ABA合成关键限速基因COS06g_02189。该研究发表于BMC Plant Biology (Yang ZM et al., 2019, IF=3.49)
该研究并列第一作者，中国农科院麻类研究所种质资源团队戴志刚研究员介绍，国家麻类种质资源中期库保存麻类资源1.8万多份，麻类资源具有很好的抗逆性，通过对这些资源抗逆基因的深入挖掘对作物抗逆育种具有重要意义。
该研究通讯作者，团队首席科学家粟建光研究员介绍团队以黄麻耐盐为中心持续支持耐盐等抗逆研究取得了一系列研究成果；“种质”资源根本上是“基因”资源，是种业的芯片，对国家麻类种质资源充分挖掘对保护我们基因资源具有重要战略意义。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.15983
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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