黄果西洋参(Panax quinquefolius L.)端粒到端粒基因组组装揭示黄酮类生物合成机制

本研究针对西洋参黄酮类化合物生物合成遗传基础不明的关键问题，通过PacBio HiFi和ONT超长读长测序技术首次完成黄果西洋参品种"中农洋参2号"(ZN)的端粒到端粒(T2T)基因组组装(vT2T)，结合转录组和代谢组分析揭示了果实颜色变异期间花青素和黄酮醇合成的调控机制，为药用植物遗传改良提供了高质量基因组资源。

　　

吉林农业大学中药材学院的研究团队在《Horticulture Research》发表了一项突破性研究。西洋参作为传统名贵药材，其标志性活性成分人参皂苷的研究已较为深入，但决定果实颜色和药用价值的黄酮类化合物合成机制却长期成谜。更棘手的是，西洋参作为异源四倍体植物，基因组高度重复且复杂，此前发布的基因组版本存在大量缺口，严重阻碍了相关研究。

为解决这一难题，研究人员选择经过连续四代自交选育的纯合黄果品种"中农洋参2号"(ZN)为材料，采用PacBio HiFi和ONT超长读长测序技术相结合的策略，辅以Hi-C染色质构象捕获技术，成功构建了首个西洋参T2T基因组。这个4.33 Gb的基因组不仅完整解析了48个端粒和24个着丝粒区域，其支架N50达到185.37 Mb，BUSCO完整性达98%，较此前版本有显著提升。通过整合代谢组和转录组数据，团队系统分析了红果(JY)和黄果(ZN)品种在不同发育阶段的黄酮积累差异及其分子机制。

关键技术包括：(1)采用PacBio HiFi(205.72 Gb数据量)和ONT超长读长(读长N50达97 kb)的多平台测序策略；(2)基于k-mer频谱分析将基因组准确划分为A、B两个亚基因组；(3)对两个品种四个组织(根、茎、叶、果实)及果实三个发育阶段(绿果期、转色期、成熟期)进行代谢组和转录组联合分析；(4)利用WGCNA构建基因共表达网络。

A T2T genome assembly of P. quinquefolius
研究成功构建了连续性显著提升的T2T基因组，contig N50达185.33 Mb，重复序列占比88.94%，其中LTR反转录转座子占83.21%。通过Hi-C技术将93.2%序列锚定到24条假染色体上，LAI指数达12.58，证实组装质量优于此前版本(v1.0)。

Telomeres and centromeres identifications
完整解析了48个端粒(9.3-19.9 kb)和24个着丝粒区域(17.5 kb-2.77 Mb)，其中Chr07A的着丝粒位于染色体末端，为研究染色体进化提供了新线索。

Structural variations(SV) and presence-absence variations(PAVs)
相比v1.0基因组，新组装检测到91,957个结构变异，其中95%为重复序列。PAV基因显著富集于DNA结合和代谢通路，而SV基因主要参与转录后调控。

Analysis of flavonoid biosynthetic pathway
代谢组鉴定出201种黄酮代谢物，发现黄酮醇含量最高。JY红果的柚皮素含量是ZN黄果的10.24倍，关键基因PqCHI1-4的表达模式差异显著。WGCNA分析显示，PqDFR2和PqANS2的表达动态与花青素积累高度相关。

Study on the mechanism of fruit coloration
发现DFR(二氢黄酮醇4-还原酶)基因的表达差异是导致果实颜色分化的关键因素。JY红果在转色期花青素快速积累，而ZN黄果主要积累二氢槲皮素等黄酮醇。

这项研究不仅提供了迄今最完整的西洋参基因组资源，更重要的是揭示了黄酮合成通路的关键调控节点。特别值得注意的是，DFR基因的表达模式差异被证实是决定红黄果色分化的分子开关，这一发现为西洋参品质改良提供了明确靶点。研究还建立了亚基因组特异性k-mer分析方法，为其他多倍体植物的基因组研究提供了新思路。团队发现的83.21%LTR反转录转座子占比，也为理解植物基因组进化提供了重要案例。这些成果将显著推动西洋参功能成分研究和分子育种进程。