科学家破译了本氏烟草(Nicotiana benthamiana)95.6%的基因组

日本名古屋大学的一个研究小组使用最新的一代测序技术绘制了N. benthamiana烟草植物基因组中的几乎所有基因。他们的发现为这种植物独特的嫁接能力提供了见解，这种能力使它能够嫁接到其他植物科。

　　

   

   

图片:研究人员解码了benthamiana(烟草植物)95.6%的基因组    

来自茄科的benthamiana烟草(nictiana benthamiana)是植物科学中使用最广泛的实验模型之一。2020年，日本名古屋大学的一个研究小组报告说，N. benthamiana可以与来自不同科的植物嫁接，展示了一种许多研究人员认为不可能的罕见能力。现在，同一研究小组已经使用新一代测序技术来解码N. benthamiana烟草植物基因组中的所有基因。他们的发现为植物如何能够进行这种嫁接提供了见解。

benthamiana的基因组结构一直是一个谜。它复杂的基因组是由于杂交而出现的，这意味着它的染色体来自两种植物。杂交事件发生在大约1000万年前两个密切相关的植物物种之间:父系Sylvestres和母系Tomentosae。更复杂的是，它继续进化，经历了几次杂交事件。

由于benthamiana等植物的基因组非常大，研究人员很难利用现有技术对其进行完整的分析。因此，为了更有效地研究它，科学家们将其切割成更小的片段进行测序，创建了所谓的DNA文库。对DNA片段文库进行下一代测序后得到的短序列称为reads。然后，这些序列使用它们的重叠区域进行组装，以创建更大的序列，称为contigs。已知contigs中碱基的顺序，可以使用此信息连接contigs以创建称为scaffold的更长的序列。

虽然已经尝试通过将N. benthamiana基因组分割成141,000个支架来分析它，但其复杂的复制结构使染色体结构不清晰，分子遗传分析困难。就像拼图一样，由少量拼图块组成的完整拼图比由141,000块拼图块组成的拼图更容易想象。

“N.Benthamiana有一个复杂的基因组结构。由于其复杂性，只有零碎的DNA信息是已知的，这是遗传研究的一个障碍，”该研究的主要作者Michitaka Notaguchi副教授解释道。“许多事情都是未知的，包括基因之间的状态和基因表达调控区域的序列信息，这对进一步的遗传分析造成了障碍。”

由特约讲师Kenichi Kurotani和名古屋大学生物科学和生物技术研究中心的Notaguchi领导的研究小组，与国立遗传研究所的大规模遗传信息实验室和Kazusa DNA研究所合作，对N. benthamiana的大部分基因组进行了测序。利用最新的下一代测序技术，研究人员在染色体水平上尽可能仔细地观察。这使他们能够比以往任何时候都更早地追溯该物种的遗传历史。

研究人员对总基因组进行了95.6%的测序，并能够获得1668个支架，比以前的研究少得多，使“拼图游戏”更容易构建。在这些支架中，有21个较大的支架是整个染色体的大小。

发现N. benthamiana具有复杂的杂交亲本种基因组序列的混合。基因组序列是如此相互关联，以至于不可能清楚地区分它们，这表明了杂交的古老起源。他们估计N. benthamiana和相关的N. tabacum可能在300万到700万年前转移。

“这项研究通过提供基因表达调控区域序列、染色体连接和基因数量的最新信息，极大地促进了benthamiana的遗传分析。这方面的信息一直缺乏，”黑谷解释道。“这次基因组解码将促进基因组编辑技术的应用，预计未来将用于植物研究。应加快植物科学研究，开发更有效的利用方法，充分利用本草及其独特的嫁接能力。现在，通过基因组测序，所有的信息都已经被揭示出来，因此更容易将N. benthamiana作为研究对象。”

本工作得到了科学研究资助基金(22K06181, 21H00368, 21H05657, 20H03273)，日本科学技术厅(JPMJPR194G)和新能源与工业技术开发组织(JPNP20004)的支持。

文章标题

Genome sequence and analysis of Nicotiana benthamiana, the model plant for interaction between organisms