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浙大新成果！百合大块头基因组揭示蔗糖、淀粉代谢与秋水仙碱进化

来源：花匠小妙招时间：2025-06-16 18:17

百合花以其观赏花、鳞茎和大基因组而闻名，但是它们的基因组信息的缺乏阻碍了进化研究和基于基因组的育种工作。近日，浙江大学园艺学院‌于 Nature Communications期刊发表题为“The giant genome of lily provides insights into the hybridization of cultivated lilies”的研究论文，该研究提供了泸定百合（ 35.66 b）和嘉兰百合（ 5.09 Gb）的参考基因组，对百合的进化、蔗糖和淀粉基因家族的扩张、关键发育基因的识别及秋水仙碱在中的独立进化进行了解析。迈维代谢提供了次生代谢组的检测分析服务。

1.该研究解析了两种百合的参考基因组，其中泸定百合（ 35.66 Gb）是目前已知巨大的真核生物基因组之一；

2.系统发育分析表明，百合栽培品种具有多样的独立起源；

3.结合转录组分析了与蔗糖和淀粉代谢相关的基因家族显著扩张，这与百合球茎的生长发育相关。

4.WGCNA解析了控制百合球茎发育、芽和花芽生长转换的关键同源基因，如和基因；

5.在的叶片、花朵和根茎中检测到了不同的生物碱及其基因簇，但在中未检测到，说明秋水仙碱的合成是在中独立进化的。

1.和的基因组测序

在和的de novo全基因组测序中，分别获得了602.05Gb和82.50 Gb的PacBio HiFi长读数据，1.07tb（Tb）和594.24 Gb的Hi-C短读数据。此外还生成了（2.12 Tb）和（362.28 Gb）的短读数据以估算它们的基因组大小和杂合度。通过k-mer分析，估计和的基因组大小分别为~35.66 Gb和~5.09 Gb，杂合度分别为3.35%和0.70%。

作者对18目26种开花植物进行了系统基因组分析，其中包括12个单子叶目中的9种。系统发育树结果显示，8个单子叶目的进化位置一致，和是一个单系分支，是天门冬目的姐妹种，与之前的研究结果一致（图1a）。物种内和物种间的基因组比较表明，和都经历了两轮全基因组复制（WGD）事件，基因组中每个位点的同义替换（Ks）分布分析，和均显示出0.92的峰值，对应于1.2 - 1.3亿年前（Mya）的单株共享WGD事件（τ）。分别在Ks = 0.73和Ks = 0.55处显示了额外的峰值，表明分别在95-103 Mya和72-78 Mya发生了两次单独的WGD事件（图1b）。这些结果表明，和分别在百合科和秋水仙科中发生了谱系特异性WGD事件（图1a和b）。

和基因组序列中有38.77 Gb和4.45 Gb为重复元件，其中47.4%和57.9%属于长末端重复逆转录因子（LTR-RTs），在和的进化过程中（0-3Mya）LTR-RTs持续增加（图1c）。这些结果表明，LTR-RTs的扩增形成了巨大百合的基因组，GO富集分析显示LTR-RTs的扩增，除了基因组大小的扩增，还影响了重要球茎相关性状的基因的进化和结构，包括种球的形成和生长转变。此外百合的基因组较大，主要是由于LTR-RT含量较高，基因间区域较高，随着其增殖的进行，LTR-RTs也通过异位同源重组被主动去除，从而产生单独的LTRs，在其他植物（香榧、银杏、百岁兰）中也是类似的情况，在这些由LTR-RT扩增驱动的大基因组中，LTR的去除率更高（图1d）。

图1 和的进化及比较基因组分析

2.百合属植物的系统发育树

利用百合的基因组和各种百合的转录组数据集，对百合进行了迄今为止最全面的系统基因组分析。基于360个核基因，对51个野生百合和34个育种百合进行系统发育分析（图2a）。系统发育结果显示，百合品种有多个独立的起源，包括分支1-1的T杂交种、OT杂交种和分支10的亚洲(A)杂交种，作者发现 5c section（除了，一种没有特定分类的新发现的物种）和属都聚集在分支2-1中，结果表明，在分支2-1中的这些野生百合在过去的百合育种项目中可能并没有得到广泛的应用，这可能为未来的育种工作提供巨大的潜力。

对核心基因序列相似性的分析显示，在系统发育树中，与来自不同分支的百合相比，不同分支中百合的共享基因组单倍型的比例明显更高（图2b）。对于进化枝1中的百合，使用来自不同百合的转录组组装和小百合基因组组装的最长转录本来计算每个物种的基因簇数（图2c），结果表明7种具有多拷贝转录本簇的栽培百合可能发生了杂交，这也可以从它们在进化枝最外层的位置得到证明，而其他具有单拷贝基因簇数量最多的栽培百合则可能通过驯化和突变育种等替代方法进行繁殖。

图2 百合的系统发育和杂交模式

3.球茎和根茎形成相关基因的进化

球茎和根茎是贮藏和繁殖器官，为了研究球茎和根状茎的进化和发育，作者利用这两个物种的基因组和转录组数据进行系统发育分析，发现参与淀粉和蔗糖代谢的基因家族显著扩增(图3a和b)。中检测到和的同源物，主要通过串联复制（TD）产生，在中总共确定了15个同源物，均为串联重复序列，而在中仅鉴定出5个同源物以及12个同源物（包括7个TD生成的），两种百合可能遵循独立的发展轨迹；中扩增的基因家族与蔗糖和淀粉的生物合成或降解有关，而中只有与蔗糖转运相关的SUT基因家族显著扩增（图3a）。

作者对百合（S0-S4）4个发育阶段的愈伤组织/小球样本进行转录组检测（图3c和d），15个同源物中有9个在S4处表现出较高的表达水平。为了鉴定更多与百合球茎发育相关的潜在基因，作者进行了加权基因共表达网络分析（WGCNA），XTH基因在植物细胞扩张的细胞壁松动过程中起着至关重要的作用，其在绿松石模块和绿色模块中均存在，为了评估这些LsaXTH在球茎形成中的重要性，利用瞬时病毒诱导基因沉默（VIGS）（TRV-）和瞬时过表达的百合系（），发现TRV-和OE-细胞系中的表达水平分别显著低于对照和高于对照（图3e）。此外，TRV-系和OE-系的种球起始率和膨胀率分别显著低于和高于各自的对照组（图3f）。球茎的诱导与的表达呈正相关，这表明与球茎的起始和球茎的扩张过程有关，而的扩张可能参与了球茎的形成（图3g）。此外，作者还鉴定了百合种球起始和种球扩增的其他候选基因（如和的同源基因）。这些基因中有一些只在球茎的种球起始和种球扩增过程中表现出高表达模式。

该研究还鉴定了花器官相关基因（包括A、B、C、E类MADS-box基因）并分析其表达模式，阐明了花和超级花的花形态的分子基础。

图3 百合球茎和根茎的形成

4.百合鳞茎生长转变的相关基因研究

百合球茎需要经历低温条件，以促进生长转换和开花所需的春化作用。在中，作者发现了大量的（107个）拟南芥中同源基因，比(三个同源基因)多出35.7倍。是一个与春化相关的候选基因，作者在8周的长期低温处理（4℃）下，比较了TRV和TRV-球茎的芽长与球茎长的比率。结果表明TRV-球茎的中央芽生长显著变慢，与对照球茎相比，对照球茎的芽长与球茎长的比率约为TRV-的1.45倍（图4a和c），表明同源基因的扩张可能影响百合芽转换生长性状的进化。此外，WGCNA分析还鉴定出一个与休眠相关的模块（青色模块），其中包含一个在解除休眠球茎中表达量更高的-like同源基因（），该基因也可能参与百合的生长转换。用12°C冷处理加速百合品种“Siberia”的萌发（图4d），处理15天后，TRV-的球茎的花芽数量和花芽转化率均显著低于TRV球茎的花芽数量（图4b、e和f），表明-like同源物与百合的花芽生长转化有关。

图4 MADS-box基因在百合生长过渡过程中的作用

5.百合中秋水仙碱的起源、进化和功能

在中检测到了不同的生物碱结构类型，包括叶片、花朵和根茎中高含量的秋水仙碱（图5a和b）。此外还鉴定了多个先前已鉴定的秋水仙碱生物合成基因的同源基因（图5c）。一个基因簇（命名为CYP75A109-OMTs基因簇）位于第5号染色体上，跨越了1.12 Mb的区域，包含了所有已报道的与秋水仙碱相关的O-甲基转移酶基因（和）的同源基因，以及已报道的细胞色素P450（P450）基因（）的同源基因（），该基因簇还包括编码逆转座子或RNA依赖的DNA聚合酶的基因（图5d），这些基因与编码参与（S）-1-苯基异喹啉骨架转化为O-甲基雄环嘧啶的关键酶的基因同源。和在根茎中均在40 DAS高表达（图5c），共线性分析发现，在与-OMTs基因簇对应的基因组区域中，只有基因组具有同源基因（图5d）。

尽管植物OMT构成一个大型酶家族，能够甲基化多种次生代谢产物的氧原子，但在中，只有和被报道参与秋水仙碱的生物合成。对进行LC-MS分析，未检测到秋水仙碱（图5a），这与中这些秋水仙碱相关基因簇的缺失一致，说明秋水仙碱生物合成在百合中是独立进化的。

图5 秋水仙碱的起源、进化和生物合成

该研究提供了泸定百合（ 35.66 Gb）和嘉兰百合（ 5.09 Gb）的参考基因组。巨大的百合基因组是由最近的长末端重复序列逆转座子塑造的。系统发育分析揭示了百合品种的多样性和独立起源，参与蔗糖和淀粉代谢的基因家族在百合基因组中显著扩张。和-like的关键同源基因调控百合球茎的发育、芽的生长。此外在中鉴定出秋水仙碱生物合成基因簇，但在中缺失，表明百合科中的秋水仙碱独立进化。这些基因组数据增强了对百合目进化的理解，为未来的育种和分子研究提供了基础。