西北大学赵桂仿教授和李忠虎教授团队破译绞股蓝高质量基因组并揭示其群体进化历史

绞股蓝Gynostemma pentaphyllum (Thunb.) Makino是隶属于葫芦科Cucurbitaceae的多年生草质藤本植物。作为我国传统的中草药，绞股蓝具有安神、降血糖、降血脂、消炎、抗癌等多种功效，具有极高的药用和经济价值。此外，因其含有与人参皂苷相似的达玛烷型四环三萜类皂苷，被誉为“南方人参”，引起人们的广泛兴趣和重视。目前，由于野生种群的逐渐减少和片段化分布，绞股蓝已被列为国家二级重点保护野生植物。然而，高质量基因组信息的缺乏，限制了对绞股蓝遗传背景的深入了解。因此，绞股蓝高质量基因组的破译和群体进化历史研究有利于解析其主要药效成分的生物合成途径，并为绞股蓝野生资源的科学保护和合理利用提供遗传学依据。同时，为今后研究葫芦科植物的群体遗传、生态适应和系统进化奠定有效的分子基础。

2022年10月，Horticulture Research 上线了（Advance Access）西北大学西部资源生物与现代生物技术教育部重点实验室赵桂仿教授和李忠虎教授团队完成的题为Diploid Chromosome-level Reference Genome and Population Genomic Analyses Provide Insights into Gypenoside Biosynthesis and Demographic Evolution of Gynostemma pentaphyllum (Cucurbitaceae)的研究论文。

该研究利用二代NGS、三代ONT以及Hi-C技术测序组装获得了一个高质量染色体水平的二倍体（2n = 2x = 22）绞股蓝基因组：其基因组可挂载至11条染色体，总大小约为 609 Mb，contig N50和scaffold N50分别为 5.05 Mb和56.38 Mb，共注释到 26,588 个蛋白质编码基因。基因组进化分析显示，绞股蓝为葫芦科早期分化类群，大约于60.7 Mya（百万年前）与苦瓜 Momordica charantia 发生分化，并且没有经历过近期的基因组加倍事件。

图1 绞股蓝植物形态、核型、组装基因组信息和进化分析结果

结合基因组注释和比较转录组分析，筛选出了绞股蓝主要药效成分，即绞股蓝皂苷（Gypenoside）合成通路相关的酶基因，并比较了这些基因在不同组织（卷须、茎、叶、花、果实）间的差异表达情况，结果发现，绞股蓝皂苷合成通路中的部分相关基因在叶和卷须中具有更高的表达水平。

图2 绞股蓝皂苷生物合成通路和相关酶基因在不同组织中的表达差异

此外，该研究还利用简化基因组分型 Genotyping-by-Sequencing（GBS）技术获得大量单核苷酸多态性位点（SNP），从基因组水平探讨了绞股蓝不同地理居群的遗传多样性水平和遗传结构。结果表明，绞股蓝的遗传多样性较低，但分化程度较高。32个居群可以分为3个组（中国北部N、中国西南SW和中国东南SE），在云贵高原东南边缘和秦岭-巴山地区的居群在进化历史上存在一定的基因交流。结合ENM模拟和生态位分化分析结果表明，N组和SE组具有部分共享生态位，而SW组相对独立。总之，地理因素和气候因素共同影响了绞股蓝野生居群的遗传结构。

图3 绞股蓝自然居群的遗传结构、群体进化历史和生态位分化

西北大学生命科学学院赵桂仿教授和李忠虎教授为论文的共同通讯作者，张笑讲师为第一作者，江西农业大学、山西师范大学、中山大学和贵州师范学院的相关科研人员共同参与了本项研究。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和陕西省重点研发项目的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhac231

转自：“园艺研究”微信公众号

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