文章標題：The genome of?Areca catechu?provides insights into sex determination of monoecious plants

發(fā)表期刊：New Phytologist

影響因子：10.323

作者單位：海南大學(xué)

百趣生物提供服務(wù)：植物激素高通量靶標定量

代謝組學(xué)文獻分享—研究背景

百趣代謝組學(xué)資訊，花有利于被子植物的有性繁殖，花的發(fā)育過程和性別決定長期以來一直是研究熱點。檳榔是一種雌雄同株的植物，雄花和雌花分別生長在同一個花序上，雄花在頂端，雌花在基部；雌花和雄花的交錯開花時間和空間位置上的分離避免了自花授粉，提高了遺傳多樣性和環(huán)境適應(yīng)性，檳榔被認為是研究性別分化的典型植物。

目前研究已經(jīng)證實，花器官的形成和花的性別決定受到遺傳因素、表觀遺傳因素、植物激素和環(huán)境因素等多種因素的影響，為了探究雌雄同體或雌雄同體物種的性別決定或分化的分子機制，本研究基于基因組、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)，通過植物激素的濃度和花序中激素相關(guān)基因的表達模式，揭示了參與檳榔性別決定的候選基因。

代謝組學(xué)文獻分享—材料與方法

采集檳榔的根、嫩葉、果皮、雌雄花花器官、雌雄花和不同發(fā)育階段的胚乳進行基因組測序文庫的制備、RNA測序以ATAC測序，采集雌雄花進行代謝組學(xué)檢測。

代謝組學(xué)文獻分享—研究結(jié)果 1.基因特性

本研究利用PacBio RSII單分子實時（SMRT）測序技術(shù)，獲得了檳榔花的全基因組數(shù)據(jù)，通過k-mer分析估算了基因組的大小約為2.7Gb，將Hi-C測序數(shù)據(jù)基因組固定在假染色體上，得到了一個具有16個染色體分子，總長度為2.73Gb，N50大小為186.52Mb（圖1，表1）。

基于基因組數(shù)據(jù)，對其編碼基因進行注釋?；蚪M的完整性約為90.05%，注釋到31,406個基因（表1）。代謝組學(xué)文獻分享，其中，21,760、22,668和29,633個基因分別擁有GO、KEGG和COG注釋?？偟膩碚f，93.35%的基因具有功能信息；同時，基因組中的基因密度在多數(shù)染色體兩端偏高。然而，chr1、chr3、chr9、chr11和chr16上的基因往往聚集在相應(yīng)染色體的單端。

圖1. 檳榔的基因組特征

表1. 檳榔基因組統(tǒng)計

2.JA生物合成和信號傳導(dǎo)途徑與檳榔的性別決定有關(guān)

通過ATAC-seq檢測發(fā)現(xiàn)，在MF(雌花)和FF(雄花)中，可及性區(qū)域（ACR）的基因的表達水平都顯著高于沒有ACR的基因（圖2a、b），在ATAC-seq檢測到的peak中，超過60%位于遠端基因間區(qū)域，近端ACR相關(guān)基因的表達水平顯著高于遠端ACR相關(guān)基因（圖2c）。代謝組學(xué)文獻分享，因此，近端ACR可能對調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄有更大的影響。在近端基因間區(qū)域，大多數(shù)ACR位于轉(zhuǎn)錄起始位點（TSS）上游約2kb處的啟動子區(qū)域，約16%位于TSS上游~1kb處（圖2d）。

JA生物合成與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和染色質(zhì)可及性之間的可能存在聯(lián)系，與MF相比，幾個亞麻酸代謝和JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的基因在FF中顯示出特定的DNA可及性和更高的表達（圖3a）。代謝組學(xué)文獻分享，LCAT3參與了亞麻酸的生物合成，是JA的必要前體；JAR1和JAZ是JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的兩個關(guān)鍵酶；這些基因在FF中表現(xiàn)出活躍的表達和較高的可及性（圖3b）。

圖2. 檳榔雌雄花形態(tài)及ATAC-seq分析

圖3. RNA-seq和ATAC-seq綜合揭示了染色質(zhì)可及性變化

3.JA在花序不同部位的極性分布

作者從花序的三個不同位置（P1+P2、P3和P4）構(gòu)建RNA-seq文庫（圖4a）。通過對DEGs進行KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)DEGs在黃酮類生物合成和植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中顯著富集；KEGG富集分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)高表達（平均FPKM值大于50）的DEGs在植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中顯著富集。通過對與激素相關(guān)的DEGs啟動子中的花器官特征轉(zhuǎn)錄因子MADS結(jié)合點分析發(fā)現(xiàn)，在36個激素相關(guān)基因中，10個激素信號傳導(dǎo)相關(guān)基因和7個激素生物合成基因的啟動子中含有CArG-box DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)。代謝組學(xué)文獻分享，在AMS的蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)現(xiàn)CYP703A2、MS1和MYB80可能與AcAMS相互作用，調(diào)節(jié)雌花和雄花的性別分化。

檢測同一花序在早期發(fā)育階段的不同位置的各種內(nèi)源植物激素的含量（圖4a）發(fā)現(xiàn)，N6-（δ2-異戊烯基）-腺嘌呤（IP）、N6-異戊烯基核苷（IPA）和反式玉米素-核苷（tZR）是檳榔花中最豐富的細胞分裂素；在花序發(fā)育過程中，P4中IPA和tZR的濃度顯著高于P1和P2的濃度，P1和P2的IP濃度與P4無顯著差異（圖4b），P4中茉莉酮酸（JA）和茉莉酮酰-異亮氨酸（JA-Ile）濃度較高（圖4c）。

與正?；ㄐ蛳啾龋惓；ㄐ蛟趹?yīng)該生出雄花（MF）的部位發(fā)育成兩性花（HF）（圖4d），雌雄同體的花在花瓣和心皮之間有幾個退化的雄蕊（圖3e）。代謝組學(xué)文獻分享，同時，JA生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因在HFs的異?；ㄐ蛭恢蔑@著高表達，而大多數(shù)MADS-box基因在HFs中顯著低表達，表明MADS-box基因表達受到JA積累的影響（圖4g，4h）。根據(jù)ATAC-seq分析，在可及性的染色質(zhì)區(qū)域中，聚集的AcAP3全位點附近有相對清晰的TF占用足跡（圖4i）。

圖4. 檳榔花序中植物激素的分布

4.發(fā)現(xiàn)雌花和雄花之間的性別偏置表達基因

本研究鑒定3700個差異表達基因（DEGs）發(fā)現(xiàn)，1876個表現(xiàn)為偏向雌花表達，1824個表現(xiàn)為偏向雄花表達（圖5a），其中有8個（AcJAR1、AcJAZ和AcMYC2等（圖5b））參與JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因表現(xiàn)出性別偏向表達，其中5個MADS-box基因（AcAP3、AcSEP、AcPIb、AcPIc和AcAGL16）表現(xiàn)為雄花偏向表達，1個（AcPIa）表現(xiàn)為雌花偏向表達；AcAP3在MFs中的表達水平最高。本文作者利用模式植物擬南芥中過量表達AcAP3增加了擬南芥花的花瓣數(shù)量（圖5c）。

圖5. 檳榔花同源基因（MIKC-type MADS-box）的鑒定和表達譜

5.棕櫚科植物中一個保守的性相關(guān)區(qū)域

利用8個代表性物種進行基因聚類，并將得到的單拷貝基因用于系統(tǒng)發(fā)育的構(gòu)建，根據(jù)分子鐘的假設(shè)，通過評估替代率來估計兩個物種之間的分化時間（圖6a）。代謝組學(xué)文獻分享，分析基因聚類和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在這些基因家族中，有985個基因家族被擴大，1098個基因家族被收縮（圖6a）。通過串聯(lián)分析在假染色體15的末端確定了一個性別相關(guān)區(qū)域，包含1個CYP703、1個甘油-3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶3（G PAT 3）、2個LOG以及其他674個基因（圖6b）。CYP703在海棗基因組的BC4_000765F支架上（圖6b）。根據(jù)RNA-seq數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，CYP703是一個單拷貝基因，在MF中高表達，但在FF中不表達（圖6b，6c）。15號染色體上確定了一個與性別有關(guān)的區(qū)域和基因，包括CYP703、AMS和BiP，它們影響FF和MF的性別決定（圖6c）。

圖6. 檳榔花性別決定中的性別相關(guān)區(qū)域和假設(shè)調(diào)節(jié)模型

代謝組學(xué)文獻分享—結(jié)論

本研究提供了檳榔染色體水平的參考基因組，其支架N50為186.52M，揭示了檳榔的進化歷史，并提出了一個模型來描述染色質(zhì)可及性與FFs中JA相關(guān)基因表達之間的可能聯(lián)系。代謝組學(xué)文獻分享，在FFs中，幾個JA相關(guān)基因的特異性可及性調(diào)控區(qū)域為轉(zhuǎn)錄因子提供了結(jié)合位點，從而促進了基因的表達，增加了JA的產(chǎn)量。相比之下，MF中的相關(guān)區(qū)域的低可及性，導(dǎo)致基因表達低，JA含量低。

此外，JA的含量變化影響B(tài)類基因的表達。B類功能基因的性別偏向表達伴隨著花器官的形成和雌、雄花的性別分化。此外，本研究還通過比較基因組分析確定了棕櫚科植物保守的性別相關(guān)區(qū)域。本研究結(jié)果填補了雌雄同株的棕櫚科植物花的性別決定機制的研究空白。