木薯（Manihot esculenta）（2n = 36）是热带地区广泛种植的主要作物，是非洲、南美洲和亚洲热带地区十多亿人口的重要食物来源，为确保人类的粮食安全做出了重大贡献。尽管木薯意义重大，但在高度杂合的木薯基因组中鉴定等位基因变异和不同等位基因的功能差异仍是一项挑战。遗憾的是，高质量的参考基因组的缺乏限制了木薯的基因组学和育种研究。因此，高质量木薯基因组的构建为开发在生物和非生物胁迫下能增产的优良木薯品种，加深我们对这种重要作物的了解。此外，它还将促进进化研究，加深我们对这种重要作物的了解。

2023年10月，Horticulture Research上线了（Advance Access）广西大学陈玲玲教授团队与广西农科院经济作物研究所严华兵团队合作完成的 T2T assembly of cassava genome reveals the evolution of cassava and divergence of allelic expression 研究论文。该研究通过三代测序，构建了首个木薯T2T参考基因组和两套单倍型基因组，并结合比较基因组揭示了大戟科物种的进化史，解析了其等位基因表达分化的分子机制和功能，为木薯分子育种提供了理论基础和基因组资源。

该研究利用 PacBio HiFi、ONT和Hi-C测序数据，以广西大学选育的高产优质木薯品种“新选048” (XX048)为基础，组装了两套单倍型基因组和目前首个T2T木薯基因组。与最近发表的木薯基因组相比，XX048的两套单倍型和T2T基因组是目前最连续、最完整准确的木薯基因组，contig N50均达到32 Mb以上，BUSCO评估基因组完整性均为99.0%，LAI指数均在20以上。通过多种方法注释，共在木薯单倍型基因组中预测到74,980个蛋白编码基因，其中96.35%的基因都能得到功能注释。并以此为基础分析了木薯的核型进化历程，通过对单倍体基因组间的共线性分析以及对不同品种间的泛基因组学分析揭示了木薯基因组的多样性特征。

图1 木薯“新选048”基因组特征

转录组分析显示XX048的两套单倍型基因组部分区域存在高密度的差异表达等位基因(DEAs)。对贮藏根和叶片中DEAs的富集分析表明，光合作用固碳途径中的七个基因在两套单倍型基因组中差异表达。表观遗传分析结果表明两套单倍型基因组的着丝粒附近的重复区域甲基化程度高，而两侧的甲基化水平较低，但两套单倍型之间存在差异。高水平胞嘧啶甲基化区域主要发生在染色质的B区室，位于这些区域的基因表达水平低于位于邻近区域的基因。TE主要分布在染色体着丝粒区域的中央，在近端区域分布较少。TE分布密度高的区域与高水平胞嘧啶甲基化分布区域一致。统计两套单倍型基因组CG型和CHG型中具有较高甲基化水平的差异甲基化等位基因(DMAs)数量，结果显示A单倍型基因组中具有较高甲基化水平的DMA约是B单倍型的两倍，表明等位基因在A单倍型中具有较高的甲基化水平。Fisher检验结果显示等位基因差异甲基化与等位基因差异表达显著相关。因此，等位基因的差异甲基化被认为是导致等位基因差异表达的因素之一。对具有CG型甲基化差异等位基因的基因体中的TE插入的统计显示，大多数等位基因存在TE插入。其中一些等位基因之间TE的插入差异与等位基因之间甲基化水平的变化一致，并伴随着等位基因的差异表达。两个等位基因之间TE插入长度的差异与两个等位基因之间CG甲基化水平的差异呈正相关。以上结果表明，等位基因间TE插入差异导致了等位基因之间甲基化水平的差异。

图2 木薯XX048单倍型基因组的表观遗传特征差异

广西大学生命科学与技术学院博士研究生徐信栋和硕士研究生赵如鹏为论文的共同第一作者，广西大学宋佳明副教授、陈玲玲教授和广西农业科学院经作所严华兵研究员为论文通讯作者。广西农业科学院经济作物研究所肖亮副研究员、尚小红副研究员等参与了该研究。此研究得到了国家自然科学基金及亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室自主专项等项目资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1093/hr/uhad200?

转自：“园艺研究”微信公众号

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