英文标题：Telomere-to-telomere genome assembly reveals insights into the adaptive evolution of herbivore-defense mediated by volatile terpenoids in Oenanthe javanica

发表期刊：Plant Biotechnology Journal

发表时间：2025.3（IF：10.1）

2025年3月，扬州大学李良俊教授课题组在Plant Biotechnology Journal发表了题为“Telomere-to-telomere genome assembly reveals insights into the adaptive evolution of herbivore-defense mediated by volatile terpenoids in Oenanthe javanica”的研究论文。该研究成功组装了水芹的高质量T2T基因组，揭示了外源损伤信号可以通过茉莉酸信号通路激活挥发性萜类的生物合成，系统鉴定了萜类生物合成途径的结构基因和萜烯合酶（TPS）基因家族成员，为深入了解水芹挥发性萜类物质介导的抗虫防御机制提供了关键信息，也为植物遗传进化和生态学研究提供了重要的基因组资源。

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

研究背景

水芹属植物含有丰富的挥发性物质，这些物质不仅赋予其独特的香气，还在抵御植食性昆虫攻击中发挥关键作用。水芹（Oenanthe javanica）作为其中的典型代表，是一种具有重要经济价值和药用价值的植物，然而目前关于其挥发性萜类化合物的遗传进化和基因组学特性研究仍然存在诸多空白。本研究通过构建水芹的T2T基因组，深入解析了其挥发性萜类化合物介导的植食防御机制，为理解植物适应性进化提供了新的视角。

研究结果

1. 水芹T2T基因组的组装及进化分析

本研究以耐热水芹品种“伏芹1号”为材料，通过核型分析和荧光原位杂交确定其具有21对染色体。利用ONT超长、Pacbio HiFi等测序技术对水芹基因组进行组装，并结合Hi-C技术，将组装的基因组成功锚定到21条伪染色体上，最终构建获得了无间隙的高质量T2T基因组。该基因组大小为1012.13Mb、contig N50达49.55Mb，并且成功鉴定出41个端粒和21个着丝粒序列（图1）。

图1：水芹T2T基因组

研究选取水芹及其他14个物种进行比较基因组分析，结果显示在水芹中鉴定出9093个特有基因家族，包含11087个旁系同源基因。尤其是在水芹进化过程中，有9561个基因家族发生扩张，显著高于其他物种。GO和KEGG富集分析表明，大量扩张的基因家族显著富集在萜类生物合成过程、单萜和二萜生物合成途径，表明水芹通过基因家族扩张积累了丰富的挥发性物质。通过Ks分析发现水芹存在近期物种特异性全基因组复制（WGD）事件，并与其他伞形科植物的共线性分析进一步证实了该事件（图2）。由此表明WGD事件导致了大量基因家族的扩张，为水芹的进化和适应性可能提供了重要的遗传变异基础。

图2：水芹进化分析

2. 水芹挥发物对植食昆虫的驱避作用及应激响应

通过观察实验发现，缢管蚜虫偏好寄生在睡莲和生菜上，而水芹的叶柄未受侵染。进一步实验表明，水芹对缢管蚜虫具有驱避作用。GC-MS分析结果显示，水芹中含有24种挥发性物质，主要为单萜类和倍半萜类。在模拟植食动物侵害的损伤处理中，水芹损伤的叶片可以迅速释放大量挥发性萜烯；同时通过转录组分析发现大量差异表达基因显著富集于与损伤刺激和激素响应、萜烯合酶活性以及防御反应等途径，并且损伤处理还进一步激活了茉莉酸JA信号通路（图3）。由此表明水芹通过调节JA信号通路，激活挥发性萜类化合物的生物合成，从而有效应对外界刺激和响应外来胁迫。

图3：水芹挥发物对植食昆虫的驱避作用及应激响应

3. 水芹中萜类生物合成基因和TPS家族成员的鉴定及验证

该研究重点关注水芹中萜类生物合成途径的相关基因，发现这些基因在不同组织中的表达模式具有显著差异。进一步通过系统发育分析鉴定出60个TPS家族成员，可将其分为不同亚家族，其中TPS-b和TPS-a亚家族成员数量最多，且多数TPS基因家族成员在水芹中表达广泛。共线性分析结果显示，与拟南芥和香菜相比，水芹的TPS家族成员数量明显更多，并且水芹与香菜的TPS家族共线性程度更高。此外，TPS成员启动子序列揭示了大量的激素响应元件和环境应激响应元件，表明TPS基因可能受外源刺激调控，在水芹的适应过程中发挥重要作用（图4）。

图4：水芹中萜类生物合成基因

对不同亚家族的候选OjTPS基因进行功能鉴定和活性分析，结果显示OjTPS1和OjTPS3仅识别特定底物催化萜类生物合成，而OjTPS4、OjTPS5和OjTPS7能将FPP和GPP转化为多种萜类化合物；OjTPS16参与β-蒎烯、(1R)-(+)-α-蒎烯和月桂烯的生物合成，OjTPS18和OjTPS30分别催化GPP生成D-柠檬烯和芳樟醇，OjTPS58可将GPP转化为(1S)-1-β-蒎烯（图5）。这些结果明确验证了不同TPS成员在水芹萜类化合物合成中的具体功能。

图5： TPS家族成员的鉴定及验证

研究结论

本研究首次构建了高质量的水芹T2T基因组，明确了挥发性萜类化合物对植食动物的驱避作用，解析了其生物合成途径及关键基因，揭示了物种特异性WGD事件和基因扩张使水芹能产生丰富萜类抵御昆虫侵害。这一研究不仅为水芹的遗传改良和分子生物学研究提供了宝贵的基因组资源，也为理解植物适应性进化和植食防御机制提供了新的见解。

参考文献：

Feng K, Liu J L, Sun N, et al. Telomere-to-telomere genome assembly reveals insights into the adaptive evolution of herbivore-defense mediated by volatile terpenoids in Oenanthe javanica[J]. Plant Biotechnology Journal. 2025.