藜麦高质量基因组组装揭示盐囊泡耐盐机制及营养价值的分子基础

作者及机构
本研究的通讯作者为上海植物逆境生物学研究中心的张衡（Heng Zhang）、朱健康（Jian-Kang Zhu）以及德国维尔茨堡大学的Rainer Hedrich。合作单位包括德国慕尼黑赫尔姆霍兹中心、1Gene Corporation、山西稼祺藜麦开发有限公司等。该研究于2017年10月10日在线发表于Cell Research（2017年27卷，1327-1340页）。

学术背景

藜麦（*Chenopodium quinoa*）是一种耐盐伪谷物作物，因其对多种非生物胁迫（如盐碱、干旱、低温）的强耐受性及种子优异的营养均衡性，被联合国粮农组织（FAO）列为保障全球粮食安全的重要作物。尽管藜麦具有显著农艺价值，其基因组信息和耐盐分子机制尚未明确。本研究旨在通过高质量基因组组装，解析藜麦耐盐性的分子基础（尤其是表皮盐囊泡细胞Epidermal Bladder Cells, EBCs的功能）及其高营养价值的遗传机制。

研究流程与实验设计

1. 基因组测序与组装

研究对象：选用藜麦栽培种“Real”的自交系，通过单粒传代法降低杂合度。
测序策略：采用混合测序技术，包括284Gb Illumina HiSeq2500双端短读长数据和50Gb PacBio RS II单分子长读长数据。
组装流程：
- 通过k-mer分析估计基因组大小为1.45Gb，与流式细胞术结果一致。
- 使用自主开发的HABOT2软件（Hybrid Assembly of Third-Generation Sequencing 2）整合短读长和长读长数据，最终获得覆盖度90.2%的基因组（v1.0版本），包含3,184个支架，Scaffold N50为1.16Mb。
- 叶绿体基因组组装为单条152,282 bp的环状序列。
质量控制：通过Fosmid文库验证组装准确性，98.9%的转录组数据可比对至基因组，SNP错误率仅为0.0056%。

2. 基因组注释与分析

重复序列注释：64.5%的基因组为重复序列，其中LTR反转座子（Gypsy和Copia）占比最高（33.58%和11.69%）。
基因预测：结合从头预测、同源比对和转录组数据，鉴定出54,438个蛋白质编码基因，其中95.6%的功能通过InterPro和GO数据库注释。
进化分析：
- 系统发育分析显示藜麦与菠菜（*Spinacia oleracea*）约1600万年前分化。
- 通过四倍简并位点（4DTv）分析，发现藜麦在430万年前经历了一次全基因组复制（Whole Genome Duplication, WGD），推测为两个二倍体祖先种的基因组融合事件。

3. 耐盐与营养相关基因的挖掘

耐盐机制：
- ABA信号通路扩张：藜麦中ABA合成关键酶NCEDs（11个拷贝，其他植物仅4-5个）、受体PYLs（22个拷贝）及转运蛋白ABCGs的基因家族显著扩张。
- 离子转运蛋白富集：Na+/H+逆向转运蛋白（NHX）、HKT（K+转运体）、SLAH（Cl-通道）等基因在盐囊泡细胞中高表达。
营养代谢：
- 赖氨酸合成通路：下游酶DAPAT和DAPE的拷贝数高于其他谷物，导致种子储藏蛋白中赖氨酸含量显著提升（与大豆相当）。
- 维生素合成：维生素B6和叶酸合成相关酶（如PLP synthase）的基因拷贝数增加。

4. 盐囊泡细胞（EBCs）的转录组分析

实验设计：对盐处理（100mM NaCl）和未处理的EBCs进行RNA-seq，对比叶片组织。
关键发现：
- EBCs特异性基因表达：离子转运蛋白（如HKT1、NHX1）、H+-ATP酶及糖转运蛋白（GLUTs）在EBCs中高表达，支持其“盐离子隔离仓”功能。
- ABA合成激活：NCED和SDR基因在EBCs中表达量较叶片高4-6倍，表明EBCs可能通过局部ABA合成调控耐盐性。
- 盐响应机制：盐处理后，EBCs中角质和木栓质合成基因显著上调，以增强细胞壁机械强度。

主要结果与结论

1. 基因组特征：藜麦为异源四倍体，经历近期WGD事件，重复序列占比高（64.5%），但核心基因集（如ABA和离子转运相关基因）在进化中保留。
   
2. 耐盐模型：盐离子通过SOS1和SLAH从叶肉细胞排出，经HKT和NRT转运至EBCs，最终由液泡膜NHX和CLC隔离。这一过程依赖H+-ATP酶建立的质子梯度驱动（图5）。
   
3. 营养优势：赖氨酸和维生素合成通路的基因扩张是藜麦高营养价值的基础。
   

科学价值与应用前景

• 理论意义：首次揭示EBCs通过极化转运和ABA局部合成协同调控耐盐性，为植物耐盐机制研究提供新范式。
  
• 应用潜力：基因组数据可指导分子育种，例如通过编辑EBCs发育相关基因（如GLABRA3同源基因）改良作物的耐盐性。
  

研究亮点

1. 方法创新：结合PacBio长读长与Illumina短读长数据，开发HABOT2混合组装算法，显著提升复杂基因组的连续性。
   
2. 发现新颖性：提出EBCs不仅是盐离子储存器官，还通过ABA合成参与系统性胁迫响应。
   
3. 跨学科价值：整合基因组学、转录组学和生理学数据，为作物抗逆性研究提供多维度参考。
   

其他重要内容

• 数据共享：基因组数据（NCBI BioProject PRJNA394587）和转录组数据（PRJNA394652）已公开。
  
• 技术细节补充：通过BUSCO评估基因完整性（93.3%），并通过OrthoFinder比较藜麦与甜菜、菠菜的共线性区块，验证组装准确性。
  

（注：专业术语如Epidermal Bladder Cells首次出现时保留英文并标注中文译名“表皮盐囊泡细胞”）