超大基因组，超长染色体，杨山牡丹基因组怎一个难字了得！

中国发展网讯 杨山牡丹（Paeonia ostii）是芍药科的多年生植物，因巨大的花朵和观赏价值，使得杨山牡丹在中国文化和历史上都具有举足轻重的意义，被誉为“花中之王”。除迷人的花朵外，杨山牡丹还具有多种“令人费解”的生物学现象，例如“种子富含高水平的亚油酸”、“花瓣状雄蕊”形成的分子机制。而构建杨山牡丹高质量的参考基因组，则是解析这些问题的关键所在。

2022年11月28日，上海辰山植物园胡永红团队在国际著名期刊Nature Communications（IF=17.69）上发表了题为“Genomic basis of the giga-chromosomes and giga-genome of tree peony Paeonia ostii”的研究论文。该研究公布了杨山牡丹的高质量参考基因组，解析了杨山牡丹巨大基因组的形成与维持机制；结合448份材料的GWAS分析解析了杨山牡丹种子“高亚油酸含量”的奥秘；最后通过与栽培牡丹基因组的比较分析揭示了花瓣状雄蕊的形成机制，从而为牡丹的基因组进化与育种研究提供了新见解。

文章发表信息。

杨山牡丹基因组组装注释

通过近3Tb的Illumina测序、643.67Gb的PacBio和2.5Tb的Hi-C测序，研究者构建了染色体水平的杨山牡丹基因组，其基因组大小为12.28Gb，contig N50=228Kb，共包括73177个蛋白编码基因（隶属于15238个基因家族），是陆地植物中基因家族数量最多的物种之一。杨山牡丹扩张的基因家族主要与DNA复制和脂肪酸代谢相关。

杨山牡丹巨大的基因组。

基因组进化分析

为了深入了解杨山牡丹基因组的进化史，研究者进行了多种数据、多种角度的科学论证。首先通过比较基因组分析发现，除γ-WGD外杨山牡丹没有经历额外的WGD事件，LTR插入到杨山牡丹基因间区并进行大量复制，驱动了其大染色体和超大基因组的形成；甲基化分析表明，表达基因、非表达基因和假基因在牡丹的基因和基因间区域显示出不同的甲基化模式，且甲基化影响基因的表达类型；ChIP-seq分析表明，特异性组蛋白主要富集在基因间区的启动子上，这说明杨山牡丹大多数基因的结构和功能不受其大基因组的影响。

杨山牡丹基因组的LTR、甲基化和ChIP-seq分析。

染色体进化分析

通过与桃、拟南芥、葡萄等物种进行比较基因组研究，研究者重建了包含7343个原基因的七条祖先真双子叶植物染色体，并检测到了杨山牡丹和其祖先之间的171个同基因块。根据重建的祖先核型（ARK，n=7 和 n=21），牡丹要达到目前的5条染色体，至少需要4条染色体分裂（Cfis）和20条染色体融合（Cfus）。此外，与其他植物相比，编码五种类型组蛋白（H1、H2A、H2B、H3和H4，染色质稳定性的主要成分）的基因家族在杨山牡丹中显著扩增，这可能是其染色体在进化过程中保持稳定性的重要原因。

从真双子叶植物祖先到杨山牡丹的核型进化。

不饱和脂肪酸生物合成途径解析

杨山牡丹种质富含大量的不饱和脂肪酸，研究者选取了448份野生牡丹种质并进行了简化基因组测序（SLAF-seq），随后对与脂肪酸生物合成相关的14个性状、脂肪酸含量的表型特征和其他特征进行GWAS分析。在2号染色体和3号染色体分别鉴定到与C18:0/C18:1△9和C18:1△9/C18:2△9,12密切相关的SNP，其中3号染色注释了SAD的9个直系同源物，并定位关键基因Pos.gene65901，2号染色体定位到FAD2 关键基因 (Pos.gene24209)，这些基因均通过转录组数据和RT-qPCR进行了验证。此外，脂肪酸生物合成途径中关键节点基因的扩增和高表达以及滑面内质网（ER）介导的FAD3可以驱动ALA（必须脂肪酸）在牡丹种子中的高水平积累。

杨山牡丹脂肪酸的生物合成途径。

花瓣状雄蕊的形成机制

具有花瓣状雄蕊的花发育起源于叶分生组织之后，杨山牡丹（原始种）的花分生组织分化为心皮、雄蕊、花瓣、萼片、苞片和叶，但不分化为花瓣状雄蕊。然而，栽培牡丹的部分雄蕊可以在分化过程中转变为花瓣，这在60%的地方品种中都有发生，这可能是由于雄蕊中异位AP1表达和AG下调所致。此外，在杨山牡丹和栽培牡丹中，ABCE基因的进化速率呈现出不同的模式，而在驯化过程中，杨山牡丹的一些A类基因经历了正选择，而C类基因经历了负选择，这种A类基因和C类基因的拮抗作用，可能导致花瓣状雄蕊的形成。

杨山牡丹花多样性和花瓣雄蕊的发育。

综上，研究者构建了染色体少但基因组超大的杨山牡丹高质量基因组，证实了基因间区LTR的插入和扩增驱动了其超大基因组的形成，而五种组蛋白的扩增维持了杨山牡丹染色体进化的稳定性；杨山牡丹种子的高脂肪酸含量是由ER介导的FAD3推动形成的；AP1和AG的异位表达以及A和C类基因的选择性压力是栽培牡丹花瓣状雄蕊形成的重要因素。总之，本研究构建的牡丹基因组及关键生物学问题的解析将为牡丹的育种提供重要参考依据。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35063-1