黑胡桃（Juglans nigra，2n = 32）隶属于胡桃科胡桃属，也称为东部黑胡桃（eastern black walnut, EBW），为重要的木本经济树种，是优质的木材原料，油脂蛋白含量高且营养丰富。该树种也作为栽培核桃（Juglans regia）砧木的重要资源。黑胡桃作为重要的木本经济植物，其遗传基因组学研究亟需深入研究。该课题组基于前期研究基础，利用三代测序技术（Pacbio）、Hi-C测序、不同组织三代全转录组学及二代转录组学测序组装提升得到了高质量的染色体水平的黑胡桃基因组：其scaffold N50值为35.1 Mb，99.0%挂载到了16条染色体上，全基因组大小为540.8 Mb，共注释得到29,506个蛋白质编码基因。系统发育分析表明，黑胡桃与核桃和胡桃楸（Juglans mandshurica）起源于共同的祖先，且黑胡桃经历了一次全基因组复制事件（WGD）。
2023年3月，Horticulture Research 上线了（Advance Access）西北大学赵鹏教授课题组联合西北农林科技大学张硕新教授团队题为Pan-genome and transcriptome analyses provide insights into genomic variation and differential gene expression profiles related to disease resistance and fatty acid biosynthesis in eastern black walnut (Juglans nigra) 的研究论文，该研究组以黑胡桃为主要研究对象，进行了高质量染色体水平基因组组装注释，揭示了黑胡桃物种群体动态历史，通过泛基因组学发现了胡桃属植物基因组层面遗传变异，分析了抗病相关基因家族NBS-LRR演化及表达模式，鉴定了黑胡桃油脂合成代谢通路差异表达基因，为黑胡桃基因组学和分子育种提供了重要基础数据。
课题组将新组装注释的高质量染色体水平黑胡桃基因组为参考，通过对黑胡桃组植物74个个体进行重测序和动态历史分析，揭示了黑胡桃有效种群在气候冰期间迅速减少。比较基因组学发现了黑胡桃、小果胡桃（Juglans microcarpa）和核桃三个染色体水平基因组之间的共线区较高，但三个基因组之间存在600 kb以上的倒置区域。与小果胡桃和核桃基因组相比，黑胡桃基因组中插入缺失（InDels）总片段大小分别为18.3 Mb和34.9 Mb。注释结果表明了这些差异基因主要包含五三肽重复序列（PPR）、脂肪酸去饱和酶（FAD）和富含亮氨酸重复序列（LRR）基因家族。
图1 黑胡桃染色体水平基因组特征及重测序分析
该研究进一步通过对黑胡桃开花后（days after flowering, DAF）果实三个发育时期(DAF80、DAF111和DAF140)的果皮、内果皮(壳)和胚进行了转录组学测序，分析了黑胡桃三个时期在油脂代谢通路中的差异基因表达水平（differential expressed genes，DEGs），揭示了油脂合成代谢通路中FAD（FATTY ACID DESATURASE）和OLE（OLEOSIN）扮演着重要角色。
研究者还以黑胡桃和核桃染色体水平基因组为参考，分别鉴定了两个物种基因组中的抗病相关基因NBS-LRR，两者数量存在差异。发现了黑胡桃和核桃NBS-LRR基因在第3、4、6、7、11、15号染色体上共线性高；核桃第3、4、6、7号染色体共线性区域NBS-LRR基因成簇存在，而黑胡桃NBS-LRR基因整体呈现均匀分布在16条染色体上，成簇现象不明显。同源序列表达模式发现了黑胡桃JnNBS-LRR121、JnNBS-LRR122、JnNBS-LRR126、JnNBS-LRR222和JnNBS-LRR157这5个基因在抗病果实中的不同处理下表达水平均上调，而与黑胡桃同源的5个核桃NBS-LRR基因簇在抗病果实中表达水平并没有上调，说明NBS-LRR基因在两个物种果的抗病方面的表达水平有差异。
图2 黑胡桃和核桃抗病相关基因NBS-LRR基因比较和表达模式
综上所述，该研究对黑胡桃基因组进行了很大程度的质量提升，泛基因组学揭示了胡桃属植物基因组层面遗传变异；分析了果实发育相关基因进行了基因表达模式；鉴定了抗病基因家族NBS-LRR并明晰了其在黑胡桃和核桃基因组上的差异；发现了该植物基因家族演化和油脂代谢的候选基因，为胡桃属植物提供了高质量染色体水平基因组资源数据，结果对核桃分子育种具有一定的指导意义。
西北大学赵鹏教授和西北农林科技大学张硕新教授为该论文的通讯作者，已毕业研究生周惠娟博士（现陕西省西安植物园）、在读博士研究生闫锋和郝凡博士后为论文共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金（32070372、41471038、31800372）、教育部科技专项陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站（2060503）、陕西省科学院研究项目（2019K-06）以及陕西省杰出青年科学基金（2023-JC-JQ-22）等项目的资助。
通讯作者介绍
赵鹏 教授
赵鹏，西北大学，教授，博士生导师。2008-2010年受教育部“国家建设高水平大学公派研究生项目”资助，赴美国Purdue University留学。2015年遴选为植物学博士生导师，并入选西北大学“优秀青年学术骨干支持计划”。2018年特评晋升为教授。近年，主持国家自然科学基金项目3项，陕西省杰出青年项目1项。发表科研学术论文70余篇，出版英文专著1部，副主编国家十二五规划教材《植物学实验》1部。
主要研究方向：分子生态学、植物基因组学、群体遗传学、适应性进化。主要以世界重要经济树种胡桃属植物为研究模型材料，开展生态遗传进化和群体基因组学研究。将分子生物学技术和方法应用到森林树种适应性进化和生物地理分布格局研究中，更好地理解森林植物如何适应生态环境变化的遗传学机制，来推动林木遗传驯化机制及资源生物持续利用的分子基础研究。
张硕新 教授
张硕新，西北农林科技大学二级教授，博士生导师。国务院学位委员会第六届学科评议组成员，中国农业科技国际交流协会第三届理事会理事，国家林业局林业学科建设专家咨询组专家，陕西省学位委员会第三届学科评议组成员，享受国务院政府特殊津贴专家。
主要研究方向：1.森林生态学：森林生态系统碳氮水循环及耦合；森林生态系统、农林复合系统种间关系；生态信息与生态系统服务。2.生理生态：物逆境生理生态，主要从生物物理、分子生物学角度探究植物在干旱、污染、低温等逆境条件下的耐受机制。3.景观生态：景观生态学原理在城乡绿色基础设施建设中的应用；生物多样性、生态信息与城乡生态系统稳定性；生态文明与城乡生态系统可持续发展。
文章链接：
https://doi.org/10.1093/hr/uhad015
转自：“园艺研究”微信公众号
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