每周文献|每周文献 2021-05-16 每周文献2021-05-16

大家好，本周我分享的文献是一篇关于花菜豆对适度热应激的恢复能力和减少抗病基因库的可能机制的研究。
文章题目： The tepary bean genome provides insight into evolution and domestication under heat stress （花菜豆基因组解析了其在热胁迫下的进化和驯化机制）
期刊：Nature Communications
影响因子：12.121; 中科大类: 综合性期刊 1区; 中科小类: 综合性期刊 1区; JCR分区: Q1
发文单位：密西根州立大学，北达科他州立大学，萨斯喀彻温大学总计10家单位
文章作者：密西根州立大学Samira Mafi Moghaddam 为本文第一作者，北达科他州立大学Phillip E. McClean 教授为本文通讯作者。
背景：高温和干旱严重影响作物生产力，进而威胁到全球粮食安全。花菜豆 (Phaseolus acutifolius A. Gray) ,作为其姐妹种普通豆(P. vulgaris L.)的生物和非生物抗性遗传性状来源，在现代作物改良育种工作中越来越受到重视。普通豆类是全世界食用量最大的谷类豆类，适应各种气候，但对干旱和极端温度敏感，在这些环境条件下，花菜豆与普通豆的亲缘关系密切，使花菜豆成为耐热和耐旱的重要来源。
摘要：原生于索诺兰沙漠的花菜豆（Phaseolus acutifolis A. Gray），高度适应高温和干旱。它是普通豆（Phaseolus vulgaris L.）的姊妹种，是人类直接食用的最重要的豆类蛋白质来源，其生产受到气候变化的威胁。该研究对花菜豆基因组进行了报道，包括探索对中度热胁迫的适应力和减少的抗病基因库的可能机制，这与对干旱和炎热环境的适应一致。这些菜豆物种之间的广泛的同源性和共有的基因含量将促进关键粮食安全作物普通豆的气候适应，并加速花菜豆的改良。
主要结果：
1.从头基因组组装和注释
作者对栽培的地方品种Frijol Bayo和野生种W6 15578花菜豆的参考基因组序列的研究。基于k-mer分析，Frijol Bayo和W6 15578的估计基因组大小分别为684 Mb和676 Mb，这与流式细胞术估计Frijol Bayo和W6 15578为682 Mb一致。Frijol Bayo和W6 15578基因组在着丝粒周围的异染色质区外没有大的重排或间隙。同时，同义位点（Ks）上的核苷酸替换是选择性中性的，并被用作确定近缘物种分化时间的分子钟。根据这个方法，Frijol Bayo和W6 15578之间的分歧时间估计在77万年之前。而且系统发育树和共享的基因家族反映了Frijol Bayo和W6 15578与P. vulgaris 具有较多的同源性。

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图1. 普通豆和花菜豆的基因组进化和分化。a. 测序大豆的种子多样性。Phaseolus vulgaris Chaucha chuga （G19833，安第斯地方品种）、Phaseolus acutifolius Frijol Bayo （G40001，地方栽培品种）和P. acutifolius W6 15578 （野生品种）。b. W6 15578 (左) and Frijol Bayo (右) 的叶、花和豆荚。c.共线性分析。d.不同品种预计分化时间。e. 用CAFE测定扩张和收缩的基因家族，推测在最近的共同祖先（MCRA）中存在13201个家族。
2.花菜豆对中度高温的耐受性
在小孢子发生和大孢子发生过程中，夜间高温会降低菜豆的产量，而花菜豆则能耐受高温。为了探讨不同耐热性的可能原因，Frijol Bayo 和 Amadeus-77 （普通菜豆）暴露于中等夜间温度胁迫（32 °C/27 °C, 日/夜），在热胁迫处理1h内，Amadeus-77中有15个编码热休克相关蛋白（HSPs）的基因表达上调，其中一个基因表达下调。研究表明在热胁迫下细胞周期和保护分子受到诱导。

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图2. 花菜豆对中度热热胁迫的响应。Phaseolus vulgaris Amadeus-77 （a）和Phaseolus acutifolius Frijol Bayo （b）对中等夜间温度的不同早期响应（32°C日温/27°C 夜温）的基因表达网络图。
3.Phaseolus vulgaris 中NB-ARC基因家族的扩增
植物进化出一个模块化结构域蛋白家族-NB-ARC基因家族，作为抵抗生物病原体的关键组成部分。鉴于花菜豆起源于干旱环境，而生物病原体通常喜欢在潮湿条件下繁衍生息，比较花菜豆和普通豆中的NB-ARC基因库，普通豆是一种需要较高水分才能生长的姊妹种，可能有助于阐明这种蛋白质家族在非生物胁迫环境下的进化。Frijol Bayo基因组中有200个基因具有NB-ARC结构域，其中155 个编码 NLR 蛋白，而普通菜豆基因组中 (Chaucha Chuga, G19833)有 330个NB-ARC 结构域, 其中248编码 NLR 蛋白，NB-ARC家族在这两个菜豆属物种之间的大小不同，这表明该基因家族具有独特的进化动力学。

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图3. Phaseolus acutifolius Frijol Bayo和Phaseolus vulgaris G19833 NB-ARC 基因家族的系统发育树。(Neighbor-joining tree) 红色棱形代表 P. acutifolius 基因模块, 蓝色棱形代表P. vulgaris 基因模块。
4.花菜豆群体结构、驯化和适应
该研究作者使用425份野生和栽培花菜豆品种进行花菜豆的群体结构和适应进化分析。PCA分析表明前3个主成分解释了45.2%的变异。NJ树表明栽培品种和野生花菜豆有明显区分。STRUCTURE分析结果表明可以将花菜豆群体分为3个亚群。使用πwild/πlandrace 比值鉴定驯化信号，共鉴定到100个基因组区域（591基因），同时使用fixed SNP来确定适应区间，以前0.1%为阈值，适应区间主要集中5号染色体，以前1%为阈值，适应区间主要集中5和8号染色体。

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图4. 花菜豆群体基因组学研究。a.地理分布；b.PCA分析；c.NJ树；d.群体结构分析；e.野生和栽培花菜豆的群体结构分析；e.花菜豆全基因组的核酸多样性比值（野生/栽培）分布。f.Fixed SNPs分布表明，Pc05在花菜豆在适应过程中的作用最大，花菜豆11条染色体交替的红色和黑色来区分。
鉴于作物生产逐渐扩大到温度较高和比较干旱的地区，利用现有知识和遗传资源，并在这些菜豆物种中应用比较基因组学，为加速选育适应气候的菜豆品种提供了有力的理论依据和技术支撑。
文中所有图片均来自The tepary bean genome provides insight into evolution and domestication under heat stress
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文章链接地址：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22858-x
参考文献：

Moghaddam, S.M., Oladzad, A., Koh, C. et al. The tepary bean genome provides insight into evolution and domestication under heat stress. Nat Commun **12, **2638 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22858-x

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