英文标题：The Telomere-to-telomere genome of Pucai (蒲菜) (Typha angustifolia L.), a distinctive semi-aquatic vegetable with lignin and chlorophyll as quality characteristics

发表时间：2025.03.11

发表期刊：Horticulture Research

影响因子：8.1

2025年3月，南京农业大学园艺学院熊爱生教授团队在Horticulture Research在线发表了题为“The Telomere-to-telomere genome of Pucai (蒲菜) (Typha angustifolia L.), a distinctive semi-aquatic vegetable with lignin and chlorophyll as quality characteristics”的研究论文。该研究成功组装了蒲菜的高质量T2T基因组，构建了蒲菜木质素和叶绿素代谢通路，并确定了调控木质素和叶绿素生物合成的候选结构基因和转录因子，为木质素和叶绿素的积累提供了重要的分子信息，同时也有助于深入理解蒲菜基因组的演化过程。

贝纳基因参与该项目ONT超长、HiFi、Hi-C等测序工作，以及T2T基因组组装和分析工作。

蒲菜（Typha angustifolia L.）是一种独特的多年生水生宿根草本植物。作为淮扬菜的重要食材，蒲菜在当地有“无蒲不成宴”的说法，淮安蒲菜营养丰富，富含膳食纤维、矿物质、维生素和微量元素。木质素和叶绿素是衡量蒲菜质量的两个关键特征和质量指标。该研究构建了蒲菜首个T2T基因组，进一步鉴定了与蒲菜木质素和叶绿素生物合成相关的候选结构基因和转录因子，为未来蒲菜分子育种提供了遗传基础。

本研究通过整合ONT超长测序和PacBio HiFi测序技术，并结合 Hi-C技术，成功组装了蒲菜（Typha angustifolia）的207Mb高质量T2T基因组（TaT2T）。基因组序列完整挂载至15条染色体，共预测出30个端粒和15个着丝粒区域，注释得到22,427个基因。基因组完整性BUSCO评估为96.9%，QV值为42.85，LAI为10.57。

本研究通过整合预测结果并去除冗余序列，共鉴定出77.32Mb重复序列，占蒲菜TaT2T基因组的37.35%。进一步分析发现，蒲菜基因组中Gypsy元件在约0.3 Mya发生了明显的扩张，而Gypsy类反转录转座子的扩张事件主导了LTR-RT动态演化的单峰分布模式。

蒲菜T2T基因组

该研究选择了13个物种基因组，进行系统发育分析、基因家族聚类以及单拷贝和多拷贝基因的富集分析。结果显示，蒲菜基因组（TaT2T）中包含1,604个特有基因家族。进一步分析发现，42个特有基因含有PKc-like超家族结构域，该结构域与钙-磷脂依赖性蛋白激酶（Calcium-phospholipid-dependent kinases）相关，表明蒲菜在进化过程中可能获得了更强的环境信号感知系统。此外，蒲菜特有基因中还包含4个与木质素合成相关的基因，分别属于过氧化物酶（PER）基因家族和羟基肉桂酰转移酶（HCT）基因家族。

蒲菜比较基因组分析

单子叶植物在多样化过程中广泛发生全基因组复制（WGD）被认为是驱动物种多样化与环境适应的关键机制。为探究蒲菜的WGD历史，本研究绘制了蒲菜及其他三种禾本目植物基因组内的旁系同源基因和直系同源基因的Ks分布图。结果显示，蒲菜基因组在Ks值0.82处存在香蒲科特有的WGD事件（Typhaceae-WGD）同时在Ks值1.20处还经历了一次σ WGD事件。这一结果表明，蒲菜基因组在进化过程中经历了至少两次WGD事件，从而促进了其对湿地环境对适应性进化。

蒲菜全基因组复制分析

本研究对两个已发表的香蒲属物种基因组（Typha latifolia 和 Typha angustifolia ）以及新组装的蒲菜基因组（TaT2T）进行了比较分析。结果表明，插入缺失（InDels）是最主要的变异类型，这些变异导致了基因结构和基因定位的显著差异，并进一步引发了编码区和非编码区的广泛差异。此外，该研究发现，物种间的SVs和PAVs显著富集于水解酶活性和碳代谢相关的功能路径，这进一步揭示了香蒲属基因组在进化过程中对环境适应的分化机制。

香蒲属基因组之间存在大量变异

该研究对蒲菜假茎不同部位的木质素和叶绿素含量进行检测。结果显示，木质素含量在基部、中部和上部逐步增加。此外，通过盐酸苯酚染色进一步验证了木质素的积累趋势。叶绿素含量的变化趋势与木质素含量类似。

基于蒲菜TaT2T基因组数据，作者解析了蒲菜的木质素和叶绿素合成路径。共鉴定出99个木质素合成基因，以及39个叶绿素合成基因。木质素合成基因分布于蒲菜所有染色体上，除F5H为单拷贝外，其他基因均为多拷贝。其中，PER基因和HTC基因分别拥有39个和10个拷贝，串联基因复制增加了木质素合成基因的数量，有助于提高合成效率。RNA-seq分析显示，木质素合成基因在假茎上部表达量显著上调，而在基部表达量最低，中部次之。同样，叶绿素合成基因的表达量从基部到中部再到上部逐步增加。

蒲菜的木质素和叶绿素生物合成

该研究基于转录组数据进行加权基因共表达网络分析（WGCNA），发现基因模块与木质素和叶绿素含量之间存在相关性，其中MEturquoise模块与两者含量呈正相关，MEblue模块则呈负相关。筛选结果显示，MEturquoise和MEblue模块中分别鉴定出262个和232个与木质素合成相关的枢纽基因，并发现一系列与木质素、叶绿素合成相关的关键基因和转录因子。此外，可视化了与木质素和叶绿素合成相关的潜在关键基因之间的相关性。

木质素和叶绿素合成中的潜在关键基因

本研究成功组装了蒲菜的高质量T2T基因组，提供了详细的基因组信息并揭示了蒲菜的进化历史。通过比较基因组分析，发现蒲菜在进化过程中经历了两次全基因组复制（WGD）。此外，研究还揭示了蒲菜在适应湿地环境中可能通过独特的基因扩张机制增强了其环境信号感知能力，分析了蒲菜假茎木质素和叶绿素的合成途径，并通过WGCNA鉴定了与木质素和叶绿素合成相关的关键基因。这些研究结果为蒲菜的功能基因研究和环境适应机制提供了重要的数据支持。

参考文献：Ya-Peng Li, et al,. The Telomere-to-telomere genome of Pucai (蒲菜) (Typha angustifolia L.), a distinctive semi-aquatic vegetable with lignin and chlorophyll as quality characteristics, Horticulture Research, 2025.