福建农大破译菠萝基因组

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11月2日，国际学术权威刊物《自然 遗传学》（Nature Genetics），在线发表了福建农林大学基因组与生物技术研究中心明瑞光教授团队的研究论文“菠萝基因组与景天酸代谢光合作用的演化（The pineapple genome and the evolution of CAM photosynthesis）”。这是全世界首次破译菠萝基因组，标志着福建农林大学在相关领域的研究处于国际领先水平。

《自然 遗传学》是英国《自然》系列杂志之一，发表国际遗传学研究的最新发现和重大成果，是全世界最顶级权威学术刊物之一。

该研究由福建农林大学牵头，联合台湾大学、中国科学院、美国依利诺依大学香槟校区等17个研究机构共同完成，福建农林大学为该论文的第一作者单位和第一通讯作者单位，参与该研究项目福建农林大学生物技术研究中心的唐海宝为共同第一作者。

据悉，研究首次阐明了景天酸光合作用基因是通过改变调控序列演化而来，证明了转座子是造成菠萝基因组不稳定的主要因素，并且菠萝基因组可作为所有单子叶植物的参考基因组。该研究成果对全球菠萝的遗传改良具有里程碑贡献，对包括禾本科粮食作物在内的大量单子叶植物的功能研究和产业发展具有重要的参考意义。

【背景资料】

菠萝是全球仅次于香蕉的最主要热带水果，有85个国家生产，种植面积100多万公顷，新鲜菠萝的年产值达86亿美元。闽台地区是我国热带水果产区，福建省闽南地区是全国菠萝的重要产区，菠萝也是闽台农业示范园的主产水果，被称为“小金砖”的台湾凤梨酥就是由菠萝生产而得，产值超过260亿新台币。由于受自交不亲和与高杂合度的限制，菠萝品种很难改良，产业发展极其缓慢。本研究成果为改善许多重要的菠萝性状提供了有价值的遗传资源，将极大促进菠萝品种改良和产业发展，对台湾该产业的发展也具有重要意义，将产生重大的经济和社会价值。

该研究成果系我国鲜有以高校自主基因组平台发布的高水平研究成果。该研究成果的发布，也是福建农林大学基因组研究在国际领域的又一重大突破。基因组与生物技术研究中心是福建农林大学海峡联合研究院四大高水平科技创新平台之一，近年来，海峡联合研究的广大教师和科研人员纷纷发表高水平研究论文，科技创新成果不断涌现，这是福建农林大学大力实施人才强校战略的结果，也是农大全面推进高水平大学建设，创新能力不断增强、内涵质量持续提升的重要体现。

菠萝25条染色体的两次全基因组复制的图示

菠萝景天酸途径的演化

【拓展阅读】

1.鉴定出菠萝基因组中所有参与景天酸代谢途径的基因。

菠萝是具有景天酸代谢（CAM）光合作用的最重要的经济作物。景天酸代谢途径是一种区别于C3植物的碳固定通路，起源于干旱地区，有很高的水分利用效率。相比于典型的C3植物，景天酸代谢植物最高可节水80%，从而可以生长在干旱贫瘠等劣质土地。其他的1万多个种CAM植物分布在35个科，其中包括龙舌兰、仙人掌、火龙果和大多数兰花。对菠萝基因组控制景天酸代谢光合作用通路进行详细分析，鉴定了所有参与景天酸代谢途径的基因。这为后续在作物中通过基因改造景天酸代谢光合作用奠定了基础。

2.首次发现景天酸代谢光合作用受昼夜节律基因的调控。

通过分析参与景天酸代谢光合作用的基因表达的昼夜节律，发现是菠萝β碳酸脱水酶在夜间固定二氧化碳。菠萝的三个β碳酸脱水酶基因的启动子区域都含有一个顺式调控元件CAA1结合位点，这一位点是结合参与昼夜节律调节的核心元件。此外，景天酸通路相关基因富集了多个顺式调控元件，这些顺式调控元件受昼夜节律基因的调控，例如早晨元件（CCACAC）和夜间元件（AAAATATC）。首次发现了景天酸代谢光合作用受昼夜节律基因的调控。

3.菠萝景天酸光合作用是通过改变C3光合作用现有基因的调控元件，有别于其它新性状通过新基因的获得而形成。

菠萝景天酸代谢光合作用的不是通过全基因组复制或串联基因复制产生的重复基因演化而来。景天酸的光合作用所需要的基因存在于每个植物物种中，只是调控元件改变了而已。这使得通过基因组编辑技术来人工改造景天酸代谢光合作用更可行。

4.景天酸的演化是通过在特定时间激活或抑制C3光合作用相关基因的调控元件实现的。

基因互作网络分析显示景天酸代谢光合作用关键酶的调控元件得到激活或抑制。抑制一些基因在特定时期的表达在景天酸代谢光合作用演化过程中起了重要作用。

5.首次量化了无性繁殖的自交不亲和的农作物的基因组杂合率。

菠萝扩繁是通过无性繁殖，菠萝新苗是通过果实上的“多叶皇冠”获得的，或者是通过生长在母株基部的吸根获得。这使得菠萝基因组的杂合率要高于其他多数作物，约为2%，本研究首次量化了自交不亲和的农作物基因组的杂合率。

6.转座子是造成菠萝基因组不稳定的主要因素。

转座子序列占了菠萝基因组的69%，而且其中一个转座子家族占据了基因组的15%。这说明转座子是造成菠萝基因组不稳定的主要因素，从而引起高速率的体细胞突变。

7.菠萝基因组可作为所有单子叶植物的参考基因组。

菠萝是单子叶植物，在进化树上与禾本科近缘（包括玉米、高粱、小麦、水稻），是禾本科作物比较基因组分析的最好的参考基因组。相比于禾本科植物的三次全基因组复制，菠萝基因组只经历两次全基因组复制，有更少的基因，这也是菠萝用于研究基因功能和互作的一个优势。

8.用25条菠萝染色体重建了单子叶植物共同祖先的7条染色体。

由于菠萝自交不亲和，以无性繁殖为主，有性繁殖世代少，造成较少的后代染色体重组与重排。菠萝染色体组成与单子叶植物的祖先形式更加相似，单子叶植物七条古老染色体得以重建，为阐明最后的共同祖先的基因含量与结构提供了一个很好的参考基因组。

9.菠萝基因组已用于校正古基因组复制事件的发生时间，为估算复制时间提供了目前最好的证据。

10.菠萝基因组被作为研究高粱种系特异基因家族迁移率的参考基因组，已鉴定出在高粱种中迁移率高的特异基因家族。