Plant Com | 易干军研究员团队与陈玲玲教授团队合作构建澳蕉组（TT）基因组并解析香蕉假茎优异纤维性能的遗传基础

香蕉(Musa spp.)是大型单子叶草本多年生植物，属于姜目芭蕉科，主要种植在东南亚、非洲和南美洲的热带和亚热带地区。除了作为广受欢迎的日常食用的新鲜水果之外，香蕉植株可以加工成各种生活所需产品，如天然纤维，具有多种用途和巨大的经济价值。香蕉种质资源的多样性十分丰富，栽培香蕉中存在A、B、S、T基因组类型，前三者主要存在真蕉组（Enmusa，2n=22）的种质中，T基因组起源于澳蕉组（Australimusa，2n=20）的种质。Australimusa代表性物种有纤维用途的Musa textilis（Abaca，麻蕉）和富含类胡萝卜素的栽培类型Fe’i （Musa troglodytarum）。Abaca是一种广泛分布于热带地区的纤维作物，是菲律宾等国的特色经济作物。Abaca纤维的巨大优势在于其优异的机械性能和耐腐蚀性，被认为是所有天然纤维中机械性能最好的材料，常用于生产特种绳索、纺织品等轻工产品。Abaca纤维是一种可再生资源，最近被用作基础设施、汽车车身部件和航空航天材料所用纤维复合材料的替代原料。这些特点使Abaca纤维成为各种工业应用的首选纤维材料之一。尽管M. textillis的基因组草图已发表，但Abaca植物超强的纤维性能的形成机制尚不清楚，这极大地限制了Abaca的遗传改良及其在农作物中的利用研究。组装高质量的香蕉T基因组对深入研究芭蕉科植物的进化，解析蕉麻纤维性能形成及类胡萝卜素积累的分子机制等具有重要作用。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2023.100681

2023年9月3日， Plant Communications在线发表了广东省农科院香蕉遗传改良易干军研究员团队与广西大学陈玲玲教授团队合作的题为“High-quality reference genome assemblies for two Australimusa bananas provide insights into genetic diversity of the Musaceae family and regulatory mechanisms of superior fiber properties”的研究论文。该研究论文构建了高质量的香蕉TT基因组，探究了芭蕉科物种的基因组进化和全基因组复制事件，解析转座子和染色体重排在基因组进化中的重要作用，最后基于基因组、比较转录组和生理生化实验分析揭示Abaca优异纤维性能的遗传调控基础。

本研究结合PacBio CLR、Illumina和Hi-C等测序技术组装出两个染色体水平的香蕉祖先种二倍体TT基因组，材料来源于具有高质量天然纤维的Musa textilis Abaca和富含类胡萝卜素的Musa troglodytarum Utafun，基因组大小分别为613 Mb和619 Mb，均包含10条染色体。芭蕉科物种均共享三次全基因组加倍事件，因此其染色体数目的变化主要归因于染色体重组。通过全基因组共线性比对，绘制了TT基因组的核型演化图谱。在芭蕉科物种中，转座子解释了95%的基因组大小差异。持续扩张的转座元件以及缓慢的中间DNA元件的移除解释了TT基因组偏大的原因。此外，Abaca基因组中扩增了大量与细胞壁生物合成有关的基因家族，而Utafun基因组扩增了与生长发育有关的基因家族，突出了物种进化过程中的不同农艺性状选择的偏好。高质量的TT基因组组装有利于我们更好的理解香蕉的进化历史和特色稀有物种的培育。（图一）。

图一 香蕉基因组结构和进化分析

作者通过生理生化实验分析表明Abaca假茎中含有丰富的纤维素、木质素和半纤维素，具有极强的机械性能（图二）。进一步结合比较基因组和跨物种比较转录组分析筛选出纤维素和木质素相关的候选基因，并通过双荧光素酶报告实验验证转录因子对候选基因的调控作用，以阐明Abaca植物优越纤维性能的转录调控基础，为香蕉的功能基因组学和农艺性状改良提供了理论依据（图三）。这项研究为应用多组学分析确定与重要农艺性状相关的候选基因提供了重要参考。

图二香蕉和剑麻成熟和幼龄期假茎组织细胞壁结构和成分

图三 香蕉优异纤维性能的转录调控基础

华中农业大学已毕业博士研究生周润（现华中农业大学博士后）、博士研究生王朔和广东省农科院果树研究所已出站博士后詹妮（现廊坊师范学院）为论文共同第一作者，广东省农科院果树研究所的盛鸥研究员和易干军研究员与广西大学的陈玲玲教授为论文的共同通讯作者。广东省农科院果树研究所香蕉遗传改良团队的李春雨、董涛、杨乔松、胡春华、毕方铖、邓贵明、何维弟、高慧君、窦同心和刘思文，西南大学郭启高和党江波，广西大学王令强、宋佳明等人参与了本文的研究内容。本研究得到了国家重点研发计划（2019YFD1000203、2019YFD1000900）、国家自然科学基金（32270712）、国家香蕉产业技术体系（CARS-31-01）以及广东省农业农村厅、广东省农科院、岭南现代农业实验室等多个项目的共同资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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