安诺优达三代测序助力茶树单体型基因组组装及演化史解析
2021年7月15日，由福建农林大学、中国农业科学院（深圳）农业基因组研究所等多家单位共同合作在国际顶级期刊Nature Genetics上发表“Haplotype-resolved genome assembly provides insights into evolutionary history of the tea plant Camellia sinensis”的文章，该研究利用自主开发的新算法破译了高杂合铁观音的基因组组装难题，并在此基础上阐释了等位特异性表达应对”遗传负荷”的机制及茶树群体进化和驯化历史，为茶树育种改良提供了新见解。安诺优达为本次研究提供二代和PacBio三代建库测序服务。
文章名称：Haplotype-resolved genome assembly provides insights into evolutionary history of the tea plant Camellia sinensis
发表时间：2021年7月15日
发表杂志：Nature Genetics
研究物种：茶树（Camellia sinensis）
影响因子：38.330
研究背景
茶叶作为一种全球性的经济作物，有很强的保健作用。茶树是无性繁殖的，这种方式可以有效地维持因有性重组而分离或丢失的有价值的基因型。然而，这种繁殖方式也会积累大量有害突变，导致“穆勒棘轮”效应，致使作物遭受损失。茶树是二倍体，含有15对同源染色体，嵌合式的基因组组装（筛选同源染色体中的一份拷贝作为代表组装到染色体水平）可能会错过重要选择性状的等位变异，而分型组装（不同亲本的两套同源染色体同时组装到染色体水平）能更完整地呈现二倍体基因组的全部遗传信息。本文通过对中国乌龙茶品种铁观音及几个主要的茶树品种和近缘物种进行测序及单体型组装，探索地理上不同的茶树群体之间的遗传多样性，为深入了解茶树的驯化史和进化史提供依据。
样本选择
山茶植株芽、根、茎、花、幼叶和成熟叶
测序策略
DNA：
PacBio Sequel II平台基因组测序 114X
Illumina NovaSeq 150 bp双端测序，DNA小片段文库
Illumina NovaSeq，Hi-C文库 99.4X
RNA：
PacBio Sequel II平台，Iso-Seq文库
研究思路
研究结果
1.基因组组装与注释
铁观音的基因组大小约为3.15 Gb，杂合度为2.31%。利用PacBio长读长对原始数据进行组装得到初始contig，大小为5.41 Gb。将Khaper算法过滤产生的单倍体组装结果挂载到15个染色体（图1），得到单倍体参考基因组（monoploid reference genome），大小为3.03 Gb。同时利用ALLHiC算法得到铁观音单体型基因组（haplotype-resolved genome），大小为5.98 Gb。共线性分析显示它们的基因顺序高度一致。
图1铁观音基因组组装和质量评估
（a）单倍体参考基因组circos图，呈现15条染色体特征；（b）Hi-C热图呈现15条染色体组装质量；（c）LAI（LTR Assembly Index）评估铁观音基因组和已发表茶树基因组组装质量；（d）铁观音单倍体参考基因组和单体型基因组的共线性比较
2.等位基因特异性表达
利用铁观音不同组织的全基因组测序，分离得到14,691个等位基因（图2），其中1,528个基因存在一致性的等位特异性表达（consistent allele-specific expression, ASEGs），即一个等位基因在所有组织和样本中的表达都高于另一等位基因。基因富集分析显示这些基因参与核糖体等多个生物学基本过程，与克服有害突变的潜在机制相关。同时还发现了386个非一致的ASEGs，它们在不同组织的等位基因之间存在特异性表达。其中几个基因与挥发性有机化合物的生物合成有关，包括黄酮和黄酮醇等的生物合成途径，这与植物的适应性演化相关。结果表明，在铁观音基因组中，一致性的ASEG明显多于不一致的ASEG（1,528 vs 386），这一趋势与杂交水稻的结果正好相反，即在杂交水稻中，不一致的ASEG远远大于一致性的ASEG。这种现象或许可以用杂种优势理论中的显性效应解释，长期无性繁殖的茶树利用优势等位基因应答不断积累的遗传负荷，以保持个体的适应度。
图2 茶树单倍型基因组等位不平衡
(a) 两个单倍型序列的比对（10 Mb非重叠的窗口）；（b）等位基因CDS序列比较；（c）等位基因的选择压力分析；（d）等位基因的非同义替换位点数目分布；（e）等位特异性表达基因（ASEGs）在茶树叶片中的表达情况；（f）举例说明一致性的ASEGs（CsSRC2）；（g）举例说明非一致的ASEGs（CsGGPS1）
3.茶树遗传变异和群体结构分析
通过对161份茶树种质资源重测序数据分析，发现样本主要分为三类（图3），分别为大理茶，大叶茶和小叶茶，与茶树的形态学分类一致。另外大叶茶可以分类古大叶茶和栽培大叶茶；而小叶茶依据地理分布可分为四个亚组，分别为SSJ（陕西，四川，江西），ZJNFJ（浙江和福建北部），SFJ（福建南部），HHA（湖北，湖南和安徽）。TreeMix分析发现这些茶树之间存在显著的基因流动，表明种内基因交流频繁，其中一些与有记录的茶树杂交育种历史相吻合。
图3茶树群体系统进化与群体结构分析
（a）重测序样本的地理分布；（b）群体系统发育树；（c）PCA主成分分析；（d）群体遗传结构分析（k=7）
4.大叶茶和小叶茶的进化史和驯化史
对14种山茶属植物的21株单株进行了全基因组测序，通过群体遗传分析发现大叶茶和小叶茶具有不同的进化史。在Gelasian epoch时期（259-181万年前），剧烈的气候变化很可能导致了整个茶树物种（包括大叶茶和小叶茶）的群体收缩；两个变种分化后，仅小叶茶在Last Glacial Maximum时期（2.65-1.9万年前）可能由于温度骤降出现了再一次的群体收缩，但随后适应了环境的小叶茶迅速扩张，群体规模得到恢复。该分析表明，大叶茶和小叶茶分化后的进化史不同（图4）。通过对大叶茶和小叶茶驯化基因的分析，发现它们的驯化过程是并行的（即独立驯化），这些驯化基因参与了一系列重要的生物学过程且受人工选育的偏好性影响。基于KEGG分析，在大叶茶驯化早期以参与氧化石墨烯苷转运、糖苷转运通路为主，后期品种改良主要集中在合成生物碱和芳香化合物等。例如，研究人员鉴定到CsXDH基因在大叶茶品种改良阶段受到强烈的人工选择，该基因编码黄嘌呤脱氢酶，是咖啡因合成通路的重要基因。而小叶茶品种的早期驯化与植物抵御相关，改良过程主要集中在花发育的调控和对一氧化氮的响应，已有研究表明，NO的积累可以加速γ-氨基丁酸的消耗从而帮助植物抵御冷胁迫，这表明筛选耐寒的品种也是人工选育的重要目标。
图4大叶茶和小叶茶的平行驯化
（a）平行驯化模式图；（b）全基因组的选择性清除信号；（c-f）重要基因的人工选择信号（XDH，CM，F3’H，BAS1，DWF4）；（g）人工选择基因的表达情况
小结
本研究成功组装了两套铁观音基因组（单倍体参考基因组和单体型基因组）。通过对等位基因特异性表达的分析，预测显性效应可能是铁观音应对遗传负荷的重要机制。通过对茶树种群水平的遗传分析，揭示了该物种的进化和人工驯化历史。该成果为利用组学分析和分子生物学技术挖掘功能基因、解析其背后的遗传调控机制，开展基于大数据驱动的基因组智能设计育种奠定了坚实的理论基础，同时也为缩短育种周期、提高育种效率、降低育种成本提供了科学依据。
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参考文献：
Zhang X, Chen S, Shi L, et al. Haplotype-resolved genome assembly provides insights into evolutionary history of the tea plant Camellia sinensis [published online ahead of print, 2021 Jul 15].Nat Genet. 2021;10.1038/s41588-021-00895-y.
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