首個豆科綠肥作物染色體水平基因組組裝完成

 紫云英       中國農科院供圖

近日，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所肥料及施肥技術團隊完成了首個豆科綠肥作物——紫云英的染色體水平參考基因組組裝，并利用比較基因組學解析了紫云英共生結瘤的遺傳基礎。該研究填補了豆科綠肥作物基因組學研究的空白，為豆科植物與根瘤菌共生提供了新的見解。相關研究成果發表于《植物通訊》（Plant Communications）。

曹衛東研究員介紹，紫云英（Astragalus sinicus）又名紅花草、翹搖等，原產于中國，屬于豆科黃耆屬作物，主要分布于中國、韓國、日本等東亞國家，是我國南方最重要的綠肥作物和覆蓋作物。利用冬閑稻田種植紫云英能夠增產節肥、合理利用光熱資源及改善生態環境，是維持和提高稻田可持續生產力的有效手段。紫云英也可作為牧草、蜜源、蔬菜、中藥等綜合利用。由于缺乏基因組信息，紫云英的遺傳學及共生固氮研究遠落后于其他豆科作物。

研究團隊運用第三代PacBio、二代Illumina技術及高通量染色體捕獲技術進行全基因組測序。所獲得的紫云英基因組全長595 Mb，重疊群（Contig N50）為1.41 Mb，基因組骨架（Scaffold N50）為78.42 Mb；有575 Mb基因組序列被定位到8條染色體上，掛載率高達96.66%。

研究發現，紫云英基因組中含有59.84%的重復序列，其長末端重復序列的數量和長度明顯擴增，導致紫云英基因組擴增。

在進化過程中，紫云英與蝶形花亞科共有的全基因組復制事件中保留了關鍵的共生結瘤基因。查耳酮合成酶基因在紫云英等豆科物種中顯著擴增，且在紫云英根部富集表達，從空間上為紫云英成功結瘤提供了必要的類黃酮信號。

紫云英、苜蓿、大豆中抗病基因在根系中的表達高于根瘤，抗病基因在根系中的富集可能增強了根部的免疫，彌補共生過程中植物防御的減弱。

該研究得到國家現代農業產業技術體系、中國農業科學院科技創新工程、國家作物種質資源庫綠肥分庫等項目的支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2021.100263