DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55545-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747119
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Yuwei Liang وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا التكاثر النباتي
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة شاملة على الأبحاث الجينومية التي أجريت على نوعين من زهور الزنبق ذات الأهمية الاقتصادية: *Lilium sargentiae* و *Gloriosa superba*. تم تسلسل الجينومات المرجعية لهذه الأنواع، مما كشف عن حجم جينومي كبير يبلغ 35.66 غيغابايت لـ *L. sargentiae* و 5.09 غيغابايت لـ *G. superba*. من الجدير بالذكر أن الجينوم الكبير لـ *L. sargentiae* يتأثر بعناصر التكرار الطويلة الحديثة، بينما تشير التحليلات النشوء إلى أن أصناف الزنبق لها أصول متنوعة ومستقلة.
تحدد الدراسة توسعات كبيرة في عائلات الجينات المتعلقة بتمثيل السكروز والنشا، والتي تعتبر حاسمة لنمو النباتات وتطورها. تلعب الجينات الرئيسية، مثل XTH22 و SOC1 و AP1/FUL-like، أدوارًا حيوية في تنظيم الانتقالات التطورية لدرنات الزنبق. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الأبحاث الضوء على وجود مجموعات جينات تخليق الكولشيسين في *G. superba*، الغائبة في *L. sargentiae*، مما يشير إلى مسار تطوري مستقل للكولشيسين داخل عائلة الكولشيسيا. لا تعزز هذه الرؤى الجينومية فقط فهم الديناميات التطورية داخل ترتيب Liliales ولكنها توفر أيضًا أساسًا قيمًا لمبادرات التربية والأبحاث الجزيئية المستقبلية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم عزل الحمض النووي من 51 نوعًا بريًا من الزنبق و 34 نباتًا من *superba* لأغراض تسلسل الجينوم وتسلسل الجيل التالي (NGS). تم تفصيل عينات النباتات المحددة المستخدمة لتسلسل RNA (RNA-seq) في البيانات التكميلية 1 و 2، مما يوفر نظرة شاملة على المواد المستخدمة في البحث. تسهل هذه الطريقة المنهجية فحصًا دقيقًا للتنوع الجيني والخصائص داخل هذه الأنواع من الزنبق.
النتائج
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بإجراء تسلسل الجينوم الكامل من جديد وتوصيف لـ *L. sargentiae* و *G. superba*، مما أدى إلى توليد بيانات تسلسل كبيرة: 602.05 غيغابايت و 82.50 غيغابايت من بيانات PacBio HiFi طويلة القراءة، إلى جانب 1.07 تيرابايت و 594.24 غيغابايت من بيانات Hi-C قصيرة القراءة لكل نوع، على التوالي. قدرت تحليل K-mer أحجام الجينوم بحوالي 35.66 غيغابايت لـ *L. sargentiae* و 5.09 غيغابايت لـ *G. superba*، مع معدلات تغاير قدرها 3.35% و 0.70%، على التوالي. أكدت قياسات التدفق هذه النتائج، حيث قدرت أحجام الجينوم بحوالي 31.8 غيغابايت و 5.7 غيغابايت.
أنتج التجميع النهائي طول جينوم يبلغ 47.09 غيغابايت لـ *L. sargentiae* (contig N50 = 0.93 ميغابايت؛ scaffold N50 = 2.85 غيغابايت) و 5.15 غيغابايت لـ *G. superba* (contig N50 = 0.48 ميغابايت؛ scaffold N50 = 0.56 غيغابايت)، مع احتواء الأخير على 11 كروموسومًا. أشار تحليل BUSCO إلى اكتمال عالٍ لمعلومات الجينات بنسبة 90.8% لـ *L. sargentiae* و 91.8% لـ *G. superba*. حددت عملية التوصيف 47,139 و 54,617 جينًا مشفرًا للبروتين لـ *L. sargentiae* و *G. superba*، على التوالي، مع أطوال متوسطة تبلغ 42,804 قاعدة و 9,984 قاعدة، وكلاهما يتجاوز تلك الموجودة في جينومات نباتات مزهرة أخرى.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على النتائج المهمة المتعلقة بالعلاقات النشوء والخصائص الجينومية للزنبق (L. sargentiae) وزنبق اللهب (G. superba). أكدت التحليلات النشوء الجينومي لـ 26 نوعًا من النباتات المزهرة أن كلا الزنبقين يشكلان مجموعة أحادية النمط، متميزة عن Asparagales، وكشفت أنهما قد خضعا لدورتين من أحداث تكرار الجينوم الكامل (WGD). أشار تحليل الاستبدالات المتناظرة إلى أن هذه الأحداث WGD حدثت منذ حوالي 120-130 مليون سنة، مع حدوث تكرارات خاصة بالسلالة منذ 95-103 مليون سنة لـ L. sargentiae و 72-78 مليون سنة لـ G. superba. علاوة على ذلك، أظهرت جينومات كلا النوعين عناصر متكررة واسعة، وخاصة عناصر التكرار الطويلة (LTR-RTs)، والتي ساهمت بشكل كبير في أحجام جينوماتها الكبيرة.
تتناول الدراسة أيضًا الآثار التطورية لتوسعات الجينات المتعلقة بتطوير الدرنات والريزومات. حددت التحليلات الجينومية المقارنة توسعات كبيرة في عائلات الجينات المرتبطة بتمثيل النشا والسكروز، خاصة في L. sargentiae، مما قد يسهل تطوير أعضاء التخزين الدرنية. تم تحليل أنماط التعبير لعدة جينات خلال بدء وتوسع الدرنات، مما يكشف أن بعض الجينات المتماثلة، مثل تلك من عائلة xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase (XTH)، تلعب أدوارًا حاسمة في تخفيف جدار الخلية وبالتالي في تطوير الدرنات. في G. superba، تم أيضًا تحديد جينات مرتبطة بتوسع الريزومات، مما يشير إلى تنظيم منسق لتمثيل النشا وتطوير الريزومات. بشكل عام، توفر هذه النتائج رؤى حول التطور الجينومي للزنبق واستراتيجيات تكيفها من خلال الخصائص الشكلية والفسيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55545-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747119
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Yuwei Liang et al.
Primary Topic: Plant Reproductive Biology
Overview
This section presents a comprehensive overview of the genomic research conducted on two economically significant lily species: *Lilium sargentiae* and *Gloriosa superba*. The reference genomes for these species were sequenced, revealing a substantial genome size of 35.66 Gb for *L. sargentiae* and 5.09 Gb for *G. superba*. Notably, the large genome of *L. sargentiae* is influenced by recent long terminal repeat retroelements, while phylogenetic analyses indicate that lily cultivars have diverse and independent origins.
The study identifies significant expansions in gene families related to sucrose and starch metabolism, which are crucial for the plants’ growth and development. Key homologs, such as XTH22, SOC1, and AP1/FUL-like genes, play vital roles in regulating the developmental transitions of lily bulbs. Additionally, the research highlights the presence of colchicine biosynthetic gene clusters in *G. superba*, absent in *L. sargentiae*, suggesting an independent evolutionary pathway for colchicine within the Colchicaceae family. These genomic insights not only enhance the understanding of the evolutionary dynamics within the Liliales order but also provide a valuable foundation for future breeding and molecular research initiatives.
Methods
In this study, DNA was isolated from 51 wild species of Lilium and 34 superba plants for the purposes of genome sequencing and next-generation sequencing (NGS). The specific plant samples utilized for RNA sequencing (RNA-seq) are detailed in Supplementary Data 1 and 2, providing a comprehensive overview of the materials employed in the research. This methodological approach facilitates a thorough examination of the genetic diversity and characteristics within these Lilium species.
Results
In this study, the authors conducted de novo whole-genome sequencing and annotation for *L. sargentiae* and *G. superba*, generating substantial sequencing data: 602.05 Gb and 82.50 Gb of PacBio HiFi long-read data, alongside 1.07 Tb and 594.24 Gb of Hi-C short-read data for each species, respectively. K-mer analysis estimated the genome sizes to be approximately 35.66 Gb for *L. sargentiae* and 5.09 Gb for *G. superba*, with heterozygosity rates of 3.35% and 0.70%, respectively. Flow cytometry corroborated these findings, estimating genome sizes of ~31.8 Gb and 5.7 Gb.
The final assembly yielded a genome length of 47.09 Gb for *L. sargentiae* (contig N50 = 0.93 Mb; scaffold N50 = 2.85 Gb) and 5.15 Gb for *G. superba* (contig N50 = 0.48 Mb; scaffold N50 = 0.56 Gb), with the latter comprising 11 chromosomes. BUSCO analysis indicated high completeness of gene information at 90.8% for *L. sargentiae* and 91.8% for *G. superba*. The annotation process identified 47,139 and 54,617 protein-coding genes for *L. sargentiae* and *G. superba*, respectively, with average lengths of 42,804 bp and 9,984 bp, both exceeding those found in other angiosperm genomes.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant findings regarding the phylogenetic relationships and genomic characteristics of the lily (L. sargentiae) and flame lily (G. superba). Phylogenomic analysis of 26 flowering plant species confirmed that both lilies form a monophyletic clade, distinct from Asparagales, and revealed that they have undergone two rounds of whole genome duplication (WGD) events. The analysis of synonymous substitutions indicated that these WGD events occurred at approximately 120-130 million years ago, with lineage-specific duplications occurring at 95-103 million years ago for L. sargentiae and 72-78 million years ago for G. superba. Furthermore, the genomes of both species exhibited extensive repetitive elements, particularly long terminal repeat retroelements (LTR-RTs), which significantly contributed to their large genome sizes.
The study also delves into the evolutionary implications of gene expansions related to bulb and rhizome development. Comparative genomic analyses identified significant expansions in gene families associated with starch and sucrose metabolism, particularly in L. sargentiae, which may facilitate the development of its bulbous storage organs. The expression patterns of various genes during bulblet initiation and expansion were analyzed, revealing that certain homologs, such as those from the xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase (XTH) family, play crucial roles in cell wall loosening and thus in bulb development. In G. superba, genes related to rhizome expansion were also identified, indicating a coordinated regulation of starch biosynthesis and rhizome development. Overall, these findings provide insights into the genomic evolution of lilies and their adaptation strategies through morphological and physiological traits.