芒属植物基因组的多倍化及其进化演变机理研究

Miscanthus, an important genus of Andropogoneae, is the most promising crop providing high-quality lignocellulosic biomass. Miscanthus and Sorghum are close relatives, but the number and structure of their chromosomes have largely diverged. In our previous study, the genetic map of Miscanthus floridulus and M. sacchariflorus was constructed on the basis of RAD-seq results. The results showed that whole genome triplication events and multiple chromosome fusion events may occur in the ancestral genome of Miscanthus. In order to validate this discovery, we have completed the whole genome sequencing of M. floridulus, a typical species of the genus Miscanthus, which combined techniques of the third-generation sequencing and the second-generation sequencing. Based on these results and the state-of-the-art technology 10xGenomics, optical maps and Hi-C, we aims to assemble the genome sequences into chromosomal level and construct a high-quality reference genome of M. floridulus. Then we will annotate the genome structure and functional genes and carry out comparative genomics analysis between Miscanthus and its related species to reveal the differentiation on the number or structure of their chromosomes. Through these efforts, we try to elucidate how the genome evolved after their polyploidization in detail and further explore the mechanism of fusion of a whole set of chromosomes during the formation of new plant species.

芒属植物属于禾本科高粱族，是最具开发潜力的优质木质纤维素生物质原料作物。其为高梁近缘植物，但是基因组染色体数目和结构却发生了很大程度的分化。本实验室前期通过简化基因组测序方法构建了五节芒和荻的遗传图谱，结果分析发现，芒属植物在进化过程中其祖先基因组可能发生了全基因组三倍化事件和多条染色体融合事件。为了验证这一发现，我们初步完成了芒属植物代表性物种—五节芒的全基因组测序工作(三代测序和二代测序结合)。本研究拟在前期研究基础上，再加之以最新的10xGenomics、光学图谱和Hi-C等技术，将基因组序列组装到染色体水平，完成和构建一个高质量的五节芒参照基因组。进一步开展全基因组基因结构和功能注释，与近缘物种做比较基因组学分析，揭示芒属植物基因组染色体结构和数目变异，阐明基因组多倍化及其进化的具体演化历程，探究植物新物种形成过程中多条乃至整套染色体融合的新机制。

1. 项目背景. 芒属植物（俗称芒草）是多年生高大禾草，C4高光效，生物产量高；中国是其重要起源地之一。它具有抗逆性强，耐盐碱、耐旱、耐贫瘠、抗寒、耐涝等优异特性，可在丘陵荒山、低洼河沟、盐碱滩涂等非粮土地，尤其可以在中度到重度盐碱地种植生长。种间杂种优势强、耕作粗放、水肥利用率高、生产投入低，一次种植连续收割30年。用途广泛，可以作为纤维素生物质新能源、饲草、造纸、食用菌生产原料和观赏植物等；芒草对于非粮土地包括盐碱滩涂利用，改善恢复盐碱地生态，建立可持续高质量发展模式具有重要意义。因此，芒属植物研究受到国际社会和科学研究者广泛关注。.2. 主要研究内容. 芒属植物的遗传学研究比较落后，虽然近几年遗传学研究取得了显著进展，但是基因组学研究匮乏！而当今基因组研究是遗传学研究的重要基础。. 芒属植物的基因组复杂, 利用最新的三代测序技术进行五节芒基因组的测序和组装，以新的10Genomics、BioNano光学图谱和Hi-C等技术将基因组序列组装到对应的各条染色体上。对基因组进行结构和基因功能注释，并与近缘物种做比较基因组学分析，揭示芒属植物基因组形成过程中的多倍体化和进化演变的机制。.3. 重要结果、关键数据及其科学意义. 通过对五节芒基因组高深度测序数据分析，估算其基因组大小为2,462.35 Mb，杂合度1.89%, 重复序列73.42%。鉴于该基因组复杂度，综合了二代和三代测序数据、10x Genomics数据进行组装，通过Hi-C挂载到19条染色体上。最后利用遗传图谱和BioNano数据进行了修正和验证。然后通过基因组的基因注释和转座子注释等，组装得到的五节芒基因组是一个染色体级别的高质量参考基因组。 .该成果发表在2021年5月国际植物研究顶级期刊Nature Plants ( https://doi.org/10.1038/s41477-021-00908-y)（IF=17.35）。.还有2篇发表在：.Genes, https://doi.org/10.3390/xxxxx 。（IF=3.759）.Frontiers in Chemistry，2020，8：1-12。（IF=5.2）.培养硕士研究生3名，博士研究生2名。. 以上成果高质量圆满完成了项目预期的研究任务。