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Plant Communications|11个梣属树种泛基因组为其盐胁迫适应性提供见解
英文标题：Pan-genome analyses of 11 Fraxinus species provide insights into salt adaptation in ash trees
发表时间：2025.01.13
发表期刊：Plant Communications
影响因子：9.4
2025年1月《Plant Communications》杂志发表了题为Pan-genome analyses of 11 Fraxinus species provide insights into salt adaptation in ash trees的研究成果，山东农业大学林学院刘建宁博士为论文第一作者，山东农业大学林学院杨克强教授、房鸿成副教授和山东省林业科学研究院吴德军研究员为论文通讯作者。本研究组装了11个梣属物种的染色体水平基因组，利用泛基因组分析了梣属树种进化适应性，挖掘了耐盐相关基因，解析了其耐盐机制。
研究背景
梣属（Fraxinus），又称白蜡树属，该属树种广泛分布于北半球，包括约40种落叶乔木和灌木树种。梣属起源于北美，在渐新世和中新世时期迁移到亚洲和欧洲，因此梣属树种具有丰富的遗传多样性和广泛的生态环境适应性。20世纪60年代，中国引入了具有较高的耐盐性的北美梣树种，并广泛种植于盐碱地以改良土壤和进行生态恢复。因此，挖掘梣树耐盐基因、解析耐盐机制对于植物的抗盐育种具有重要的理论指导意义。
主要研究成果
1. 11种梣属物种的基因组组装和注释
研究团队使用二代Illumina测序和ONT测序数据，对11种二倍体梣属物种进行了contig组装，并以F. pennsylvanica（v.1.4）基因组作为参考，将超过99.5%的contigs锚定在23条染色体上，最终实现了染色体级别的基因组组装。这些物种的基因组杂合度在0.29%到2.16%之间，组装的基因组大小范围为678 Mb到868 Mb，Scaffold N50范围是30.32 Mb到39.75 Mb。11个梣属树种基因组装结果的BUSCO评估在97.9%到98.9，LTR组装指数（LAI）结果显示这些物种都组装到了染色体水平，注释结果显示基因组中包含了48389至53800个蛋白编码基因（表1）。
表 1 11个梣属物种的基因组组装和注释情况
2. 染色体组成和多倍化事件
基于组装的基因组序列，研究团队对梣属物种进行了基因组内比较和基因组间比较，以探索梣属的染色体组成以及多倍化事件。研究人员发现每个基因组都可以分为10条染色体的A亚基因组和13条染色体的B亚基因组，亚基因组之间5条染色体呈现1:1对应，亚基因组A的另外5条染色体与亚基因组B的8条染色体相应（图1）。梣属在近期发生了两次全基因组复制事件，研究团队证明了两次发生的都是WGT事件。多倍化事件是梣属基因家族扩张重要驱动力，11个梣属物种有2413到4310个基因家族发生扩张，扩张的基因家族其功能主要与压力响应和防御响应相关。
图 1 梣属的基因组进化分析
3.梣属泛基因组结构
研究团队对39个梣属物种进行了蛋白编码基因聚类，包括本研究的11个物种和之前发布的28个物种，并构建了梣属泛基因组。泛基因组包括12156个核心基因，40664个非必需基因和1215个特有基因。比较核心基因和非必需基因的Ka/Ks比值，发现非必需基因存在快速分化和强烈选择的情况，同时两者在基因功能上差异较大。核心基因主要富集于与生物调节相关的功能，非必需基因参与多种功能，如催化活性、水解酶活性、运输、细胞定位和ATP依赖活性（图2）。
此外，基于11个本研究的基因组组装序列，研究团队鉴定了424102个非冗余PAVs，构建了一个长度为11.87Gb的基于SV的泛基因组图谱。47%-55%的PAVs分布在基因和基因侧翼区域，表明PAVs可能在基因调控中发挥重要作用。启动子-外显子区域富集PAVs的基因进行功能富集分析，发现主要与核苷酸结合、细胞组分生物合成、水解酶活性、碳水化合物代谢过程和跨膜传输相关。
4. 梣属两个与耐盐相关的PAV-QTLs
研究团队在F. velutina 'Lula 3'（盐耐受）和 F. pennsylvanica 'Lula 5'（盐敏感）两个梣属物种之间进行了一次种间杂交，产生123个F1后代进行了重测序，构建了含有2550个PAV标记的高密度遗传图谱，并基于PAV定位了2个与耐盐性显著相关的PAV-QTL位点Q6-45.2和Q8-61.8，从中分别鉴定出FvbHLH85和FvSWEET5两个梣属响应盐胁迫的关键候选基因（图3）。
5. 候选基因功能分析
为了探究耐盐候选基因的调控机制，研究团队对FvbHLH85和FvSWEET5都进行了病毒诱导的基因沉默实验（VIGS）和瞬时过表达实验。结果证明FvbHLH85在调节ROS和Na+/K+平衡中起到关键作用，主要是直接靶向和调控FvPNC1和FvAKT1的表达；FvSWEET5的基因沉默破坏了可溶性糖的积累，而过表达该基因可以增加可溶性糖积累实现渗透调节来增强耐盐性（图4）。
总 结
本研究报道了11个染色体水平的梣属基因组，确定梣属的多倍化事件特征和位置。同时研究人员构建了基于PAV的梣属泛基因组，定位了2个与耐盐性显著相关的PAV-QTL，从中鉴定了FvbHLH85和FvSWEET5耐盐基因，并通过实验证明了候选基因对梣树耐盐性状的调控机制。这项工作为梣树抗盐育种和群体研究提供了宝贵的基因组资源，将进一步推动植物耐盐全基因组设计育种。
参考文献：
Liu JN, et al. Pan-genome analyses of 11 Fraxinus species provide insights into salt adaptation in ash trees. Plant Commun. 2025.
