砂生槐基因组分析揭示蔗糖代谢对其干旱适应性的作用

　　

　　砂生槐（Sophora moorcroftiana）是西藏地区分布极广的一种多年生的豆科类灌木，其根系发达，具有极强的耐干旱、耐贫瘠、抗风沙的生态特征。作为西藏高原生态恢复的理想树种, 砂生槐也是西藏放牧地区天然草地上的重要植物构成。因此该植物是研究高原地区植物适应性进化和抗旱的优良材料。然而，对该植物基因组学以及抗旱性的分子机制的研究仍相对较少。 

　　近日，中国科学院昆明植物研究所青藏高原植物进化与适应课题组以Sophora moorcroftiana genome analysis suggests an association between sucrose metabolism and drought adaptation为题在Plant Physiology发表论文。研究报道豆科槐属植物砂生槐的染色体水平参考基因组，并且结合代谢组和转录组的分析，揭示了蔗糖代谢与砂生槐干旱适应潜在的相关性。 

　　此项研究通过二三代测序技术，组装和注释了染色体水平高质量的砂生槐基因组，基因组大小为737.35 Mb，包括9条染色体、contig N50为22.5 Mb、注释了53,640个蛋白编码基因、BUSCO为98.3%。比较基因组学分析显示，栽培类豆科植物基因组中扩张的基因家族主要富集在固氮方面，而来自于中高海拔的豆科植物如砂生槐基因组中扩张的基因家族以及重复基因主要在代谢过程中发挥作用，可能与砂生槐的高原适应相关。 

　　为了揭示砂生槐代谢在其高原适应中的作用，研究人员对砂生槐的根、茎、叶和果实进行了广靶代谢组学分析。研究发现，植物根部的差异代谢物主要富集在与干旱相关的“精氨酸和脯氨酸代谢”以及“淀粉和蔗糖代谢”途径，蔗糖在根部含量最高。代谢组和转录组的WGCNA关联分析发现，TRD和WGD重复事件导致蔗糖代谢通路基因AMY3和CWINV1基因家族的扩张推测是砂生槐根部蔗糖含量相对较高的原因，进而促进砂生槐发达的根系，增加其抗旱能力。这类基因的发现可以作为培育耐旱性高原植物的候选基因。 

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图1 A. 砂生槐根长、冠幅、根颈直径、土深的数据测量过程。B. 砂生槐基因组。C. 基因家族树及基因家族扩张、收缩。D. 砂生槐扩张基因家族的注释。E. 砂生槐重复基因分类。F. 砂生槐重复基因Ka/Ks。G. Root vs Leaf代谢通路的富集。H. 热图显示根部carbohydrate代谢物的相对含量与其他组织的比例。I. WGCNA分析。J. 植物蔗糖代谢通路基因。K. 热图显示11个关键基因的表达量及重复类型。L. 砂生槐和D. odorifera中AMY3和CWINV1的共线性。