中心概况-中国科学院中-非联合研究中心

中美肯三国科学家联合研究方茎白粉藤基因组学及抗旱机制

作者：来源：发布日期：2024-04-24

方茎白粉藤（Cissus quadrangularis）是葡萄科白粉藤属多年生肉质藤本，主要分布于热带亚热带地区，具有很强的抗旱能力。方茎白粉藤的叶片和茎的光合途径不同，叶片中为C₃途径，而茎中为景天酸代谢（crassulacean acid metabolism，CAM）途径，因此是研究植物干旱适应性和CAM起源的好材料。

中-非中心依托单位中国科学院武汉植物园植物多样性与进化学科组研究人员通过与国际、国内学者合作，利用二、三代测序和Hi-C技术完成了方茎白粉藤染色体级别基因组的组装、注释和特征分析，并结合转录组数据解析了该物种对干旱胁迫的应答以及CAM途径关键基因的表达模式。

利用150 × 二代基因组序列对方茎白粉藤的基因组特征进行了评估，结果表明其基因组大小约为680Mb，为异源四倍体（2n=4×=48）。根据方茎白粉藤与二倍体圆叶白粉藤基因组的亲缘关系，将该基因组分为A和B亚基因组。等位基因的表达分析结果显示A为主效基因组。系统进化分析表明方茎白粉藤与葡萄约在68.4个百万年前发生分化，与圆叶白粉藤约在28.3 个百万年前发生分化。方茎白粉藤基因组在近期还发生了一次全基因组二倍化事件，形成了异源四倍体。

图1. 方茎白粉藤的形态和基因组信息

多物种基因家族收缩扩张比较分析结果显示，方茎白粉藤中LEA、R gene、CYP450等基因家族发生了扩张。此外，转录组分析结果显示干旱条件下方茎白粉藤茎中角质、木质素和蜡质合成相关基因上调表达，有助于茎中的水分保持。以C3途径的叶片为对照，利用转录组数据分析了茎中基因的表达规律，发现PPCK和NAD-ME等基因的表达有明显的昼夜节律，可能与茎的CAM途径相关。这些结果为方茎白粉藤干旱适应性研究提供了新的线索。

图2. 茎和叶应对干旱胁迫不同生物学过程

本研究是团队成员在前期圆叶白粉藤基因组组装（https://doi.org/10.1093/hr/uhac208）的基础上，再次开展的对异源四倍体方茎白粉藤的基因组解析和干旱适应性探究。该工作丰富了白粉藤属物种的基因组信息，为植物的抗旱性研究提供了理论基础，也为葡萄科物种的进化研究提供了参考。

该研究由中国科学院武汉植物园、中国科学院植物研究所、中国科学院中-非联合研究中心、广西大学、美国北卡罗来纳州立大学、肯尼亚乔莫-肯雅塔农业与技术大学等单位组成的联合研究小组共同完成，中国科学院武汉植物园植物多样性与进化学科组博士生李青云和中国科学院植物研究所葡萄与葡萄酒科学研发团队王毅副研究员为该论文共同第一作者。中国科学院武汉植物园园艺作物逆境生物学学科组辛海平研究员与植物多样性与进化学科组王青锋研究员为该论文的共同通讯作者。

相关研究成果以“The Cissus quadrangularis genome reveals its adaptive features in arid habitat”为题发表在国际植物学期刊Horticulture Research上。研究得到了国家自然科学基金委国际合作项目和中国科学院中-非联合研究中心重点部署项目的资助。

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