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国人完成辣椒全基因组测序:解密辣椒为什么这么辣

科普知识 百蔬君 918℃ 已收录 0评论

虽然辣椒最早出自美洲,但自十五世纪被航海家们带至世界各地后,这种植物成为了全球最广泛种植的香料作物之一。辣椒不仅营养丰富,最重要的就是其口味中的辣令美食家们流连忘返,甚至还成为了一些城市的”地标”。

那么这种备受世界各地喜爱的植物为何会具有这样独特的辣味呢?本身从进化的角度上来看,野生辣椒的辣味能令食草动物退避三舍,不去咀嚼其种子,但是对于人类来说辣椒并不是必需的,主要是因为其辣味带来的神经刺激,让我们渐渐”上瘾”,这其中有何奥秘?辣椒辣味的遗传分子机制又是什么呢?野生辣椒与驯化后的辣椒有何区别?带来辣味的”辣基因”还存在于哪些蔬菜中呢?

近期来自遵义市农业科学研究院,四川农业大学等处的研究人员公布了辣椒(Capsicum annuum L.)的基因组,并绘制了高质量辣椒基因组图谱,这一图谱的完成为辣椒的研究打开了新的一页,也将有助于建立更加有效的辣椒育种改良方法,相关研究成果公布在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上。这一辣椒基因组的揭秘为解答以上这些问题提供了依据,为此生物通特联系了文章的第一作者,遵义市农业科学研究院的覃成(Cheng Qin)博士,就读者感兴趣的一些问题请教了他。

辣椒基因组测序

随着1492年哥伦布从美洲返回,以及随后的航海探索,辣椒传遍了世界各地,这是由于辣椒能够适应于不同的农业气候,并且被具有不同文化背景的人们快速接受。据统计,泰国人每日平均食用辣椒300克;墨西哥人则将辣椒视为国食;而广受欢迎的韩国泡菜就是用辣椒泡制而成,当然闻名遐迩的川、湘菜更是少不它。

为了解析辣椒的奥秘,近期由遵义市农业科学研究院牵头,联合四川农业大学、华南农业大学、深圳华大基因和墨西哥生物多样性基因组学国家重点实验室等13家单位一起联合攻关,公布了辣椒(Capsicum annuum L.)的基因组(http://peppersequence.genomics.cn/page/species/index.jsp)

此次测序的辣椒品种为遵义市农业科学研究院选育的品种”遵辣1号”(Zunla-1)和其来自墨西哥的野生种”Chiltepin”。

研究人员分别对Zunla-1和Chiltepin进行了全基因组测序,构建了高密度的连锁图谱,并组装得到高质量的基因组精细图谱。两个基因组大小约为3.3Gb,分别有35,336和34,476个基因,12对染色体,其中约90%的基因都锚定到这些染色体上。

研究表明,辣椒基因组包含大量的重复序列,约有2.7Gb(占基因组大小的81%),远高于其在西红柿(479Mb,61%)和马铃薯(399Mb,61%)中的含量,并且以Gypsy(54.5%)和Copia(8.6%)两种类型的重复序列为主。进一步的进化分析表明Gypsy在约30万年时发生了大规模的扩张和复制,导致辣椒基因组是西红柿和马铃薯基因组大小的4倍。

在对辣椒与其他茄科植物的比较基因组及进化分析中,研究人员还发现,辣椒和西红柿、马铃薯一样,经历了一次三倍化事件和一次全基因复制事件,但是由茄科中分化出的辣椒属分支并未发生全基因组的复制,进一步证实辣椒的基因组扩张是由近期重复序列的扩张复制导致的。相对于马铃薯和西红柿,辣椒基因组产生了大量的重排和异位事件。

辣椒为什么会辣,含有同源基因的西红柿为何不辣?

对于这个问题,覃成博士表示,”辣椒碱主要由辣椒素和二氢辣椒素组成,能够产生辣椒果实独特的辣味。我们在辣椒中发现了51个参与辣椒素生物合成的基因家族,虽然这些基因家族在西红柿、土豆、拟南芥中也存在同源基因,但部分关键的基因在辣椒中有明显的拷贝数扩增。

通过对不同辣度的辣椒相关转录组数据的比较分析,我们推测可能负责辣椒素最终合成的AT基因家族中AT3-D1和AT3-D2基因协同作用,合成并积累含量不同的辣椒素,这可能是一种与辣椒素积累相连的关键因素,可以决定不同品种辣椒的辣度。”

其它一些蔬菜,如西红柿,马铃薯种也含有辣椒碱生物合成相关的同源基因,那么为何这些蔬菜中没有辣味呢?

对此覃成博士解释道,与西红柿和马铃薯AT同源基因比较,负责辣椒素最终合成的AT基因家族中AT3-D1和AT3-D2发生了保守结构域中重要氨基酸的突变,这种突变导致AT3-D1和AT3-D2基因发生了功能的变化,能够合成辣椒素并产生辣椒果实独特的辣味。

多种辣椒基因组

这项研究同时对野生辣椒和栽培辣椒进行了全基因组测序,并绘制了其完整的基因组图谱。 相关发现包括:

a.证实了前人推测的染色体异位现象。在人工驯化过程中,野生种的1号染色体和8号染色体发生了染色体的异位,导致了驯化后的栽培种1号染色体的长臂更长和8号染色体的长臂更短,但是8号染色体的短臂并没有丢失,只是低密度的遗传图谱观测不到。

b. 通过将3个野生/半野生和栽培辣椒基因组与20种重测序品种进行比对之后,研究人员发现了大量的驯化候选基因,这些基因揭示出人工选择的分子印迹。在驯化辣椒的选择区域内,有511个基因可能是与转录调控、压力、防御反应、生长、果实发育相关。另外,在栽培和驯化辣椒之间的形体和生理上的差别也可能与这些驯化的基因有关。

此外,之前韩国的研究人员也完成了甜辣基因组测序,覃成博士表示,两个参考物种都是一年生辣椒,尽管表型不同,但基因组的特征非常相似,基因组的序列差异不到1%。


图1 CM334及其果实。备注:CM334是一个来源于墨西哥的半驯化品种。这个品种不能称为甜椒,这是属于中等辣度的辣椒(hot pepper),其果实是朝下的,和遵辣1号(Zunla-1)的果实方向相反。

图2 遵辣1号的田间表现

基因组测序技术与难题

覃成博士介绍道,”这项研究我们采用了贯穿组学的思路来开展的,从DNA、RNA(包括small RNA和long no-coding RNA)、蛋白质和次级代谢产物等层次探讨辣椒基因组的驯化和特异性。比如,

(1)我们首先直接用Solexa技术测序了野生辣椒和栽培辣椒中500bp-40kb的插入片段文库,获得了两张高质量的基因组草图,然后重测序20个栽培辣椒,分析获得几百万个SNPs;

(2)根据所有的Scaffold信息,从中分析获得的SNPs中挑选高质量的SNPs自主点制Illumina Infinium芯片,通过基因型分析技术对利用2个一年生栽培辣椒组建的320 F2群体进行分析,绘制一张含有7567个SNP标记的超高密度遗传连锁图谱,获得了2张基因组精细图;

(3)我们采用HPLC/MS/MS 技术检测zunla-1和其他不同辣味辣椒品种的辣椒素的动态变化。”

在实验过程中,研究人员挑选用于测序的参考基因组的品种耗费了大量时间,由于辣椒基因组比较大且较复杂,具有一定杂合度的品种无疑会增加测序的难度和成本。通过对若干自交系的品种筛选比较,最终挑选了遵义市农业科学研究院自主选育的遵辣1号(zunla-1)。遵辣1号是连续12代自交后获得的,已高度纯合,杂合率只有万分之一。

除了技术上的难题之外,覃成博士和他的同事在研究过程中也遇到了其它问题,比如随着测序成本的降低,做重要物种的全基因组测序已经不是很困难的事情,但是对于辣椒基因组比较大(3.26Gb)且较复杂的特性,构建一张超高密度的遗传连锁图谱是至关重要的,这对锚定大量重复序列和85%以上的基因组序列到12条染色体上帮助极大。

同时,对基因组的解读也很重要,简单的解读对研究相关人员和育种工作者参考的价值有限,如何挖掘辣椒这个物种最有价值的生物学问题是构思研究思路的重要难题之一。

覃成博士说,通过解读全球发表的所有关于辣椒的研究论文及其他物种相关的研究成果,我们选定以下生物学问题:

a. 辣椒基因组扩增的原因,这有助于解释辣椒属基因组的进化;

b. 茄科的进化,这有助于研究辣椒属在茄科及单子叶植物中的进化地位;

c. 辣椒人工选择的分子印迹的发掘。这为辣椒分子育种提供重要的基因资源;

d. 辣椒与西红柿果实发育的比较。通过果实发育全过程的比较分析,获得了辣椒果实成熟后仍然坚硬等生物学特性相关的候选基因,为辣椒开展分子标记辅助育种提供了重要的基因资源。

e. 参与辣椒素合成的相关基因的进化分析。作为全球唯一具有辣味的植物,辣椒为什么会辣应该是读者非常感兴趣的生物学问题。

辣椒基因组的研究意义

近年来,随着我国辣椒产业的蓬勃发展,由于耕地数量有限,土地、气候等条件的限制以及对高产高效的追求,辣椒多年连续种植使土地难以得到轮作倒茬的现象较为普遍,全国各地出现的辣椒连作障碍现象日益严重(同一种作物或者近缘作物连作以后,即使在正常管理的条件下,也会产生产量降低、品质变劣、生育状况变差的现象,这就是连作障碍)。辣椒连作障碍的主要症状是病毒病、疫病、青枯病等的致病病菌持续积累,导致病情加重,严重影响辣椒的产量和品质,制约了我国辣椒产业的快速发展和转型升级。

上述三种主要病害的致病病菌在土壤中存活时间长(旱地为3-5年),即使通过改善栽培措施和种植结构,以及化学防治和生物防治相结合的方法,也很难达到明显的防治效果,使得它从发现至今一直是困扰辣椒生产的主要难题,深受国内外研究者的关注。

从”植物健康管理”角度,选育辣椒抗病品种被认为是最紧迫、最有效和最环境友好的出路,即利用寄主的抗病性是目前防病的最有效途径之一。通过传统的杂交育种技术选育辣椒抗病新品种效率低下(6-7年,甚至更久),应用经典遗传学、现代分子生物学技术与传统杂交育种技术相结合,将会大大提高辣椒抗病的育种效率(3-4年),是解决我国辣椒连作障碍的最佳途径。故开展辣椒基因组学的基础性研究,对辣椒抗病的分子育种及辣椒产业的健康发展提供了重要的理论基础。

我国科学家的重要贡献

遵义市农业科学研究院是贵州省研究辣椒最重要的几个院所之一,尽管已经选育出近10个品种,但是依然没有解决制约贵州省辣椒产业最为迫切的难题。

2008年覃成博士从贵州大学生物化学与分子生物学专业硕士毕业后,就在遵义市农业科学研究院从事辣椒分子育种。从2009年起,他在四川农业大学跟随著名的玉米育种专家潘光堂教授攻读作物遗传育种的博士学位,刚开始做的是玉米的分子育种。

经博士期间第二导师、辣椒育种专家胡开林教授、遵义市政府和遵义市农业科学院的领导建议,覃成博士的研究方向转攻辣椒基因组学。

(参考阅读:http://www.zunyi.gov.cn/ch6983/ch160/ch167/2014/03/12/content_2011411493.shtml)。

因为这个项目资金投入大,牵涉到的学科多,仅仅依靠一个单位是难以实现的,因此覃成博士代表遵义市农业科学研究院牵头,联合四川农业大学、华南农业大学、深圳华大基因和墨西哥生物多样性基因组学国家重点实验室等13家单位一起联合攻关。

遵义市农业科学研究院主要完成项目设计、参考品种”遵辣1号”(Zunla-1)的提供、测序数据的深入挖掘和解读、提炼生物学故事、论文撰写。

对于下一步的研究方向,覃成博士表示,我们下一步的研究包括:

(1)希望打通上游的理论研究和下游的应用研究,借助基因组学的研究成果,指导辣椒分子育种;

(2)辣椒种质资源精准鉴定与评价及抗病候选基因挖掘,加速抗病分子育种,尽快解决制约了我省辣椒产业的快速发展和转型升级的重大问题。

 

Cheng Qin, Changshui Yu, Yaou Shen, Xiaodong Fang, Lang Chen, Jiumeng Min, Jiaowen Cheng,Shancen Zhao, Meng Xu, Yong Luo, Yulan Yang, Zhiming Wu, Likai Mao, Haiyang Wu,Changying Ling-Hu, Huangkai Zhou, Haijian Lin, Sandra González-Morales, Diana L. Trejo-Saavedra,Hao Tian, Xin Tang, Maojun Zhao, Zhiyong Huang, Anwei Zhou, Xiaoming Yao, Junjie Cui, Wenqi Li,Zhe Chen, Yongqiang Feng, Yongchao Niu, Shimin Bi, Xiuwei Yang, Weipeng Li, Huimin Cai,Xirong Luo, Salvador Montes-Hernández, Marco A. Leyva-González, Zhiqiang Xiong, Xiujing He,Lijun Bai, Shu Tan, Xiangqun Tang, Dan Liu, Jinwen Liu, Shangxing Zhang, Maoshan Chen, Lu Zhang,Li Zhang, Yinchao Zhang, Weiqin Liao, Yan Zhang, Min Wang, Xiaodan Lv, Bo Wen, Hongjun Liu,Hemi Luan, Yonggang Zhang, Shuang Yang, Xiaodian Wang, Jiaohui Xu, Xueqin Li, Shuaicheng Li,Junyi Wang, Alain Palloix, Paul W. Bosland, Yingrui Li, Anders Krogh, Rafael F. Rivera-Bustamante,Luis Herrera-Estrella, Ye Yin, Jiping Yu, Kailin Hu, and Zhiming Zhang. Whole-genome sequencing of cultivated and wild peppers provides insights into Capsicum domestication and specialization. PNAS, March 3, 2014; doi:10.1073/pnas.1400975111

来源:(生物通:王蕾)

 

 

 

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