新鲜出炉|安诺Hi-C辅助组装又添高分文章
2018.11.21

2018年11月16日,中国中医科学院中药研究所陈士林研究员课题组孙伟副研究员以第一作者在植物国际高影响力期刊The Plant Jounal(IF=5.775)在线发表了题为“The medicinal plantAndrographis paniculata  genome provides insight into biosynthesis of the bioactive diterpenoid neoandrographolide”的研究论文。该研究结合三代及Hi-C辅助组装技术组装获得了穿心莲269M高质量染色体水平的参考基因组,安诺基因参与其中Hi-C辅助组装工作,contigs挂载率达95%以上。该研究通过对穿心莲基因组的组装,揭示了生物活性物质二萜内酯类新穿心莲内酯的合成机制。


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图1 穿心莲基因组文章在线发表


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图2 安诺Hi-C技术辅助穿心莲基因组组装至染色体水平


研究背景

穿心莲(Andrographis paniculata)是一种草本药用植物,可以产生大量的抗炎二萜内酯类物质穿心莲内酯、新穿心莲内酯及其类似物,被认为是下一代天然抗炎药物,在中国、印度和其他东南亚国家等被用于治疗肺部疾病、肝炎、神经退行性疾病、自身免疫性疾病和炎性皮肤病。

研究材料及方法

材料:穿心莲叶片

材料来源:中药研究所

测序策略:PacBio RSⅡ产生11.8G原始数据进行基因组组装,利用安诺Hi-C辅助组装技术进行挂载。

研究结果

1、穿心莲基因组组装

研究首先利用流式细胞和k-mer分别对穿心莲基因组大小进行了评估,预估基因组大小分别是280Mb和281.26Mb。通过三代数据进行组装,组装基因组大小269Mb,共包含1278个contigs,contig N50为388Kb。将40.2Gb paired-endreads与基因组进行比对,比对率超过了96%,通过BUSCO对基因组完整性进行评估,完整性达到89.4%,同时进行了EST评估,均表明该基因组组装完整性及一致性良好。通过安诺Hi-C辅助组装后,将95%以上序列挂载到24条染色体上,最大和最小长度分别是14.7Mb和7.7Mb。


表1 穿心莲基因组组装统计

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2、基因组注释及进化分析

通过对穿心莲基因组注释,共预测出25428个蛋白质编码基因,转录本平均长度为3412bp,CDS平均长度为1255bp。通过与其他物种相比,发现穿心莲基因家族数量与芝麻、拟南芥和丝叶狸藻相似。与近缘物种葡萄、番茄和马铃薯相比较,发现了587个物种特异基因家族。其他11个物种的基因家族收缩和扩张分析,发现了穿心莲5383个基因家族经历了收缩,1290个基因家族经历了扩张。对扩张的基因家族进行功能富集,在萜烯合酶(TPS)和细胞色素P450单加氧酶(CYP)发生显著性富集,这些酶对于次级代谢产物穿心莲内酯和新穿心莲内酯的合成具有重要的作用。


为了分析穿心莲的古多倍化事件,计算了同义替代率(Ks),穿心莲、番茄、夹竹桃和酿酒葡萄四个物种共同经历了一次多倍化事件。穿心莲在大约58.8百万年与其祖先猴面花和芝麻分离后,并没有再经历WGD事件。

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图3 穿心莲进化分析


3、生物活性物质二萜新穿心莲内酯的合成机制

通过研究多样化的二萜合成支路及穿心莲内酯和新穿心莲内酯主要成分的通路,发现包括CPS1-3和KSL1-2在内的5个双萜合成酶形成了不同的双萜合成支路。提出了基于穿心莲已知物质推测出的穿心莲内酯、新穿心莲内酯和其它半日花烷二萜类物质新的生物合成途径。Ent-copalol中间体经过细胞色素P450和其他酶类进一步修饰,提供特殊的二萜类化合物。后续还对ApCPSs和ApKSLs基因进行功能和立体化学分析。

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图4 多样化二萜支路及穿心莲内酯和新穿心莲内酯主要成分的通路

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图5 ApCSPsApKSLs基因功能和翻译分析

论文结论

通过三代组装和Hi-C辅助组装,成功将穿心莲基因组组装到染色体水平,预测了其蛋白质编码基因。利用茉莉酸甲酯处理的穿心莲转录组数据,鉴定出编码二萜物质合成酶、细胞色素P450单氧合酶、2-氧戊二酸依赖的二氧合酶和UDP依赖糖基转移酶。对Ⅰ类和Ⅱ类二萜物质合成酶进行功能特征分析,揭示了产生多样化半日花烷相关二萜支路的能力。另外,还发现了一种糖基转移酶,该酶能够催化新穿心莲内酯苷元的O型葡萄糖基化,主要活性产物新穿心莲内酯。因此,研究结果证明了基因组和转录组数据的联合使用,可以研究重要中药穿心莲的生物活性物质二萜内酯成分的合成。

安诺Hi-C辅助组装 

Hi-C辅助组装原理

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安诺Hi-C辅助组装优势

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参考文献

Wei Sun,Liang Leng,Qinggang Yin,et al. The medicinal plant Andrographis paniculata genome provides insight into biosynthesis of thebioactive diterpenoid neoandrographolide[J]. The Plant Journal, DOI:10.1111/tpj.14162.











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