百趣代谢组学资讯:槟榔的基因组为雌雄同株植物的性别决定提供见解

文章标题：The genome of Areca catechu provides insights into sex determination of monoecious plants

发表期刊：New Phytologist

影响因子：10.323

作者单位：海南大学

百趣生物提供服务：植物激素高通量靶标定量

代谢组学文献分享—研究背景

百趣代谢组学资讯，花有利于被子植物的有性繁殖，花的发育过程和性别决定长期以来一直是研究热点。槟榔是一种雌雄同株的植物，雄花和雌花分别生长在同一个花序上，雄花在顶端，雌花在基部；雌花和雄花的交错开花时间和空间位置上的分离避免了自花授粉，提高了遗传多样性和环境适应性，槟榔被认为是研究性别分化的典型植物。

目前研究已经证实，花器官的形成和花的性别决定受到遗传因素、表观遗传因素、植物激素和环境因素等多种因素的影响，为了探究雌雄同体或雌雄同体物种的性别决定或分化的分子机制，本研究基于基因组、转录组学和代谢组学，通过植物激素的浓度和花序中激素相关基因的表达模式，揭示了参与槟榔性别决定的候选基因。

代谢组学文献分享—材料与方法

采集槟榔的根、嫩叶、果皮、雌雄花花器官、雌雄花和不同发育阶段的胚乳进行基因组测序文库的制备、RNA测序以ATAC测序，采集雌雄花进行代谢组学检测。

代谢组学文献分享—研究结果 1.基因特性

本研究利用PacBio RSII单分子实时（SMRT）测序技术，获得了槟榔花的全基因组数据，通过k-mer分析估算了基因组的大小约为2.7Gb，将Hi-C测序数据基因组固定在假染色体上，得到了一个具有16个染色体分子，总长度为2.73Gb，N50大小为186.52Mb（图1，表1）。

基于基因组数据，对其编码基因进行注释。基因组的完整性约为90.05%，注释到31,406个基因（表1）。代谢组学文献分享，其中，21,760、22,668和29,633个基因分别拥有GO、KEGG和COG注释。总的来说，93.35%的基因具有功能信息；同时，基因组中的基因密度在多数染色体两端偏高。然而，chr1、chr3、chr9、chr11和chr16上的基因往往聚集在相应染色体的单端。

 

图1. 槟榔的基因组特征

表1. 槟榔基因组统计

 

2.JA生物合成和信号传导途径与槟榔的性别决定有关

通过ATAC-seq检测发现，在MF(雌花)和FF(雄花)中，可及性区域（ACR）的基因的表达水平都显著高于没有ACR的基因（图2a、b），在ATAC-seq检测到的peak中，超过60%位于远端基因间区域，近端ACR相关基因的表达水平显著高于远端ACR相关基因（图2c）。代谢组学文献分享，因此，近端ACR可能对调节转录有更大的影响。在近端基因间区域，大多数ACR位于转录起始位点（TSS）上游约2kb处的启动子区域，约16%位于TSS上游~1kb处（图2d）。

JA生物合成与信号转导途径和染色质可及性之间的可能存在联系，与MF相比，几个亚麻酸代谢和JA信号转导相关的基因在FF中显示出特定的DNA可及性和更高的表达（图3a）。代谢组学文献分享，LCAT3参与了亚麻酸的生物合成，是JA的必要前体；JAR1和JAZ是JA信号转导的两个关键酶；这些基因在FF中表现出活跃的表达和较高的可及性（图3b）。

 

图2. 槟榔雌雄花形态及ATAC-seq分析

 

图3. RNA-seq和ATAC-seq综合揭示了染色质可及性变化

3.JA在花序不同部位的极性分布

作者从花序的三个不同位置（P1+P2、P3和P4）构建RNA-seq文库（图4a）。通过对DEGs进行KEGG富集分析发现，多数DEGs在黄酮类生物合成和植物激素信号转导途径中显著富集；KEGG富集分析发现，多数高表达（平均FPKM值大于50）的DEGs在植物激素信号转导途径中显著富集。通过对与激素相关的DEGs启动子中的花器官特征转录因子MADS结合点分析发现，在36个激素相关基因中，10个激素信号传导相关基因和7个激素生物合成基因的启动子中含有CArG-box DNA结合结构。代谢组学文献分享，在AMS的蛋白质相互作用网络中，发现CYP703A2、MS1和MYB80可能与AcAMS相互作用，调节雌花和雄花的性别分化。

检测同一花序在早期发育阶段的不同位置的各种内源植物激素的含量（图4a）发现，N6-（δ2-异戊烯基）-腺嘌呤（IP）、N6-异戊烯基核苷（IPA）和反式玉米素-核苷（tZR）是槟榔花中最丰富的细胞分裂素；在花序发育过程中，P4中IPA和tZR的浓度显著高于P1和P2的浓度，P1和P2的IP浓度与P4无显著差异（图4b），P4中茉莉酮酸（JA）和茉莉酮酰-异亮氨酸（JA-Ile）浓度较高（图4c）。

与正常花序相比，异常花序在应该生出雄花（MF）的部位发育成两性花（HF）（图4d），雌雄同体的花在花瓣和心皮之间有几个退化的雄蕊（图3e）。代谢组学文献分享，同时，JA生物合成和信号转导相关基因在HFs的异常花序位置显著高表达，而大多数MADS-box基因在HFs中显著低表达，表明MADS-box基因表达受到JA积累的影响（图4g，4h）。根据ATAC-seq分析，在可及性的染色质区域中，聚集的AcAP3全位点附近有相对清晰的TF占用足迹（图4i）。

 

图4. 槟榔花序中植物激素的分布

4.发现雌花和雄花之间的性别偏置表达基因

本研究鉴定3700个差异表达基因（DEGs）发现，1876个表现为偏向雌花表达，1824个表现为偏向雄花表达（图5a），其中有8个（AcJAR1、AcJAZ和AcMYC2等（图5b））参与JA信号转导的基因表现出性别偏向表达，其中5个MADS-box基因（AcAP3、AcSEP、AcPIb、AcPIc和AcAGL16）表现为雄花偏向表达，1个（AcPIa）表现为雌花偏向表达；AcAP3在MFs中的表达水平最高。本文作者利用模式植物拟南芥中过量表达AcAP3增加了拟南芥花的花瓣数量（图5c）。

 

图5. 槟榔花同源基因（MIKC-type MADS-box）的鉴定和表达谱

5.棕榈科植物中一个保守的性相关区域

利用8个代表性物种进行基因聚类，并将得到的单拷贝基因用于系统发育的构建，根据分子钟的假设，通过评估替代率来估计两个物种之间的分化时间（图6a）。代谢组学文献分享，分析基因聚类和系统发育关系发现，在这些基因家族中，有985个基因家族被扩大，1098个基因家族被收缩（图6a）。通过串联分析在假染色体15的末端确定了一个性别相关区域，包含1个CYP703、1个甘油-3-磷酸酰基转移酶3（G PAT 3）、2个LOG以及其他674个基因（图6b）。CYP703在海枣基因组的BC4_000765F支架上（图6b）。根据RNA-seq数据发现，CYP703是一个单拷贝基因，在MF中高表达，但在FF中不表达（图6b，6c）。15号染色体上确定了一个与性别有关的区域和基因，包括CYP703、AMS和BiP，它们影响FF和MF的性别决定（图6c）。

 

图6. 槟榔花性别决定中的性别相关区域和假设调节模型

代谢组学文献分享—结论

本研究提供了槟榔染色体水平的参考基因组，其支架N50为186.52M，揭示了槟榔的进化历史，并提出了一个模型来描述染色质可及性与FFs中JA相关基因表达之间的可能联系。代谢组学文献分享，在FFs中，几个JA相关基因的特异性可及性调控区域为转录因子提供了结合位点，从而促进了基因的表达，增加了JA的产量。相比之下，MF中的相关区域的低可及性，导致基因表达低，JA含量低。

此外，JA的含量变化影响B类基因的表达。B类功能基因的性别偏向表达伴随着花器官的形成和雌、雄花的性别分化。此外，本研究还通过比较基因组分析确定了棕榈科植物保守的性别相关区域。本研究结果填补了雌雄同株的棕榈科植物花的性别决定机制的研究空白。