榛子高通量基因组数据库构建与ARF基因家族及ARF3靶基因全基因组鉴定分析

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榛子(Corylus spp.)是桦木科(Betulaceae)榛属(Corylus)重要经济油料树种,长期缺少高质量基因组数据库。榛子具有子房仅于授粉后分化发育的特殊生物学习性,但具体果实发育调控机制尚不清楚。本研究对平榛(C.heterophylla)进行了三代SMRT测序和二代Hi-C测序,随后进行了基因组辅助组装与数据库构建;进一步,进行了榛子ARF(Ch ARF)基因家族鉴定,分析了Ch ARF在胚珠发育关键时期的表达特征,开展了Ch ARF3免疫组织化学定位分析。最后,通过Ch IP-Seq分析了Ch ARF3的靶基因。主要研究结果如下:(1)利用Pac Bio单分子实时测序和Hi-C辅助组装策略,获得了平榛高质量的基因组组装。全长343 Mb,Scaffold N50为32.88 Mb,预测了22,319个蛋白质编码基因,注释了21,056个(94.34%)。并构建了一个综合的平榛基因组数据库Hazel Omics(http://122.9.151.76/)。该数据库集成了组装基因组、基因编码序列、蛋白质序列和各种注释信息,填补榛子高质量基因组数据库空白。(2)结合己发表平榛近源物种15种和油料作物14种的基因组数据,开展比较基因组学分析,解析平榛进化地位和基因扩张收缩信息。分别鉴定出352和439个收缩基因及1,197和3,810个扩张基因。其中扩张基因FAD、SAD和KAT于不饱和脂肪酸合成路径(ko01040)发生显著富集且在胚珠成熟期高度上调,表明这些基因的扩张可能促进了平榛果仁中不饱和脂肪酸合成,并提高了平榛对东北寒冷气候的适应性。(3)在获得基因组信息基础上,全基因组鉴定Ch ARF基因家族,并通过表达分析筛选榛子子房起始过程中,调控胚珠发育的关键Ch ARF。鉴定出14个Ch ARF成员,预测蛋白质分子质量在70.93–139.22 k D之间,皆为不稳定亲水蛋白,且聚类为4个进化分枝。进化分枝I上Ch ARF3基因在各个胚珠发育阶段间表现出显著差异,这表明Ch ARF3在榛子产量形成过程中扮演重要角色。(4)制备子房起始关键转录因子Ch ARF3的Ch IP级高效特异性多克隆抗体。免疫组织化学定位分析验证发现Auxin对子房起始及Ch ARF3具有调控作用,且Ch ARF3在子房起始及胚珠发育过程中在子房原基、胚柄、珠被、胚乳、胚根和子叶中表达。表明Auxin对子房起始至关重要,且Ch ARF3参与Auxin诱导的子房起始和胚珠发育调控过程。(5)通过Ch IP-Seq和RNA-Seq联合分析,鉴定Ch ARF3胚珠发育相关靶基因并揭示其调控网络。在四个胚珠发育阶段鉴定了3,167个Ch ARF3靶基因,显著富集于次级代谢产物(ko01110)如苯丙烷类合成(ko00940)及植物激素信号转导(ko04075)路径。初步形成Ch ARF3调控网络模型,其介导生长素响应路径相关基因及转录因子MADS、AP2/ERF、TCP、FT和LFY调节胚珠发育。综上所述,对平榛进行三代基因组测序及组装,构建榛子资源共享数据库Hazel Omics,对保存和获取榛子的基因组序列具有重要意义。在此基础上,鉴定Ch ARF基因家族成员及果实发育关键转录因子Ch ARF3的靶基因,解析榛子果实发育过程中子房起始与胚珠发育的分子机制,为榛子产量形成及分子育种研究提供新的见解。
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