经典案例 | 贵州茅台原料高粱红缨子高质量T2T组装及籽粒单宁代谢途径重建

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2024-04-03 16:59

近期，贵州省农业科学院旱粮研究所在The Crop Journal上发表了研究成果报道了贵州茅台酒用高粱红缨子T2T高质量基因组组装，并通过65个基因重建了风味物质单宁的代谢途径。

文章题目

A telomere-to-telomere genome assembly of Hongyingzi, a sorghum cultivar used for Chinese Baijiu production

第一作者：Yanqing Ding, Yilin Wang

通讯作者：Liyi Zhang

通讯单位：贵州省农业科学院旱粮研究所

杂志：The Crop Journal

影响因子：6.6/Q1

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.cj.2024.02.011

研究背景

高粱(Sorghum bicolor (L.) Moench, 2n=2x=20)原产于非洲，后从印度传播到中国，自元朝(1270~1368)以来一直被用于生产蒸馏酒(即白酒)。红缨子(HYZ)品种于2008年开发，具有较高单宁含量和其他有利于酿造白酒的特性，占中国高粱种植的三分之一以上。

目前对高粱单宁合成的遗传学了解甚少，其在水解后会产生丁香酸和丁香醛等成分，这些成分对白酒的风味至关重要。单宁在类黄酮途径的一个分支中合成，但目前在高粱中仅鉴定出3个与单宁合成有关的调控基因，并未发现与单宁合成有关的结构基因。

技术方案

ONT➕PacBio HiFi➕Hi-C综合测序

RNA测序技术

研究意义

高粱产量的提高相较于其他作物来说略有落后，其高质量基因组序列的获得对改良育种具有非常重要的促进作用，也能够为高粱品种及其他谷类作物的遗传多样性研究提供丰富的资源和重要的科学依据。

高粱红缨子T2T组装与注释

利用ONT、PacBio HiFi和Hi-C综合技术对酱香型白酒原料红缨子进行了测序，填补了13个缺口，最终获得大基因组大小为722.95 Mb，N50为71Mb，所有染色体两端的端粒序列长度在1876~7010 bp之间，基因组组装精度达到99.99%；重复序列占基因组的71%；10对染色体包含33,462 个基因，其中93%的基因得到功能注释；着丝粒区普遍表现出较高的重复序列密度和较低的基因密度。

HYZ-T2T的N50序列大小是已发表的5个基因组的2~70倍以上，数量存在显著差异；HYZ-T2T基因组实现了所有20个端粒组装，超过了其他基因组的数量；HYZ-T2T中没有定位到BTx623-3.0的5396个基因中，许多基因富集在代谢、植物-病原体互作、苯丙素生物合成以及淀粉和蔗糖生物合成途径中；与BTx6233.0相比，HYZ-T2T的定位率高1.3%，短读错配率低7.6%。这些结果证明，HYZ-T2T作为参考基因组，能够更准确定位和分析基于短读的变异。

▲红缨子基因组组装和注释

检测到许多SNPs和结构变异，在HYZ-T2T和所有5个已发表的基因组之间观察到多个大的染色体倒位。相对于HYZ-T2T，BTx623-3.0和Rio基因组中的大倒位主要发生在重组率较低的基因组区域，这可能代表了BTx623和Rio基因组的组装方向错误(Illumina测序)；在2号染色体上大约30 Mb的位置，确认了两个大的(>100kb)相邻倒位，其中一个倒位只包含一个基因(SbiHYZ.02G141400)，它是OsFCA和AtFCA的直向同源物，这两者是参与调控水稻和拟南芥开花时间的基因，它在BTx623

(早熟)中的表达量高于在HYZ(晚熟)中的表达量。

染色体倒位会阻碍倒位区域的重组，影响物种的局部适应和分化，在中国高粱的进化过程中，含有开花基因直向同源物的倒位可能与光周期适应性变化有关，导致源自非洲的短日照高粱在中国多个农业生态区域驯化。与中国大豆的进化过程一样，光周期适应促进了它们的纬度扩张。

单宁生物合成途径

重建的单宁合成途径包含8个转录因子、3个转运基因和45个结构基因；除了单拷贝的CHI和ANS基因外，所有结构基因都代表了8个基因的2至11个拷贝；大多数转录因子、转运体和单拷贝结构基因的表达量在种子开花后10d达到峰值，然后逐渐降低；对于每个具有多个拷贝的基因，主要是1~2个拷贝的表达量较高，遵循这种表达模式；有一个MYB转录因子(C1)在BTx623-3.0中没有得到注释，其余基因在籽粒发育过程中几乎没有表达；有六个基因含有SNP/Indel突变，Tan1和Y1基因导致功能缺失，从而产生没有单宁的白色谷粒。