兰州大学刘建全教授团队发表高质量二倍体紫花苜蓿基因组

来源：植物科学最前沿

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是最重要种植的饲草作物之一，广泛应用于干草、牧草和青贮饲料的生产，被誉为“牧草之王”。紫花苜蓿还被用作轮作作物以增加土壤肥力，在医药以及功能保健方面也具有广阔的市场空间和深度挖掘的潜质，其种子可作营养补品，以散装粉末状药草，胶囊和片剂的形式在健康食品商店中出售。紫花苜蓿种子和叶的提取物已被证明具有降胆固醇、降血脂、保护神经、抗氧化和抗菌等功效。尽管紫花苜蓿具有很高的经济价值和工业需求，通过分子育种进行的改良却非常有限。

高质量基因组的组装和注释是推动紫花苜蓿优良性状相关遗传基础研究以及分子设计育种的重要基础。但由于紫花苜蓿为同源四倍体，组装其高质量的基因组较为困难，而组装其二倍体祖先的高质量基因组可以为更好的研究四倍体紫花苜蓿的基因组结构和分子育种提供前提和保障。

Fig. 1: Photographs of alfalfa uses and products.

近日，Horticulture Research在线发表了兰州大学刘建全团队题为A chromosome-scale genome assembly of a diploid alfalfa, the progenitor of autotetraploid alfalfa的研究论文。

该研究以二倍体紫花苜蓿(Medicago sativa spp. caerulea voucher PI464715; 2n=2x=16)为材料，采用Illumina，Nanopore和Hi-C测序技术，将约793.2 Mb的基因组序列挂载到了8条染色体上，获得了高质量的染色体级基因组组装和功能注释，其Contig N50为3.9 Mb。重复序列占基因组的比例约为55.55%，注释得到了47,202个蛋白质编码基因。

Fig. 2: Overview of the PI464715 genome assembly.

根据单拷贝基因的系统发育树和分化时间估算分析，发现二倍体紫花苜蓿和蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)在512 万年前分开。利用这个高质量的基因组，进一步展开进化分析和比较基因组学分析，发现该基因组和四倍体紫花苜蓿的四套单倍型基因组具有很好的共线性，但和蒺藜苜蓿相比，发现了一个大片段的反转和两个大片段倒位。此外，还鉴定到489个抗病基因，并结合转录组数据对鉴定到的木质素和纤维素生物合成途径的基因进行表达量分析。

本文获得的近完整、准确的二倍体紫花苜蓿基因组，是对最近组装的四倍体紫花苜蓿基因组的重要补充，将为研究四倍体紫花苜蓿基因组结构以及改善紫花苜蓿的育种策略提供宝贵的基因组资源。

Fig. 3: Gene synteny between the M. truncatula ecotype Jemalong A17, PI464715 and alfalfa genomes.

Fig. 4: Expression of lignin and cellulose biosynthesis genes in leaf and stem tissues.

兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，生命科学学院任广朋青年研究员和生态学创新研究院杨勇志青年研究员为该论文的通讯作者，博士研究生李傲和刘爱为并列第一作者，该研究得到了青藏高原第二次科学考察(STEP)(2019QZKK0502)，国家自然科学基金面上项目和青年项目(31971391和41901056)的资助。