js金沙3983总站范国强教授团队基于高质量基因组揭示泡桐速生及丛枝病发生机理

      6月29日，js金沙3983总站范国强教授课题组在国际植物学主流期刊《Molecular Plant》（影响因子 13.164）上发表了题为“Genomic insights into the fast growth of paulownias and the formation of Paulownia witches' broom”的研究论文。该研究在绘制白花泡桐基因组精细图及其丛枝植原体基因组完成图的基础上，发现白花泡桐速生的关键因素是其有C3-CAM途径，泡桐丛枝植原体效应子PaWB-SAP54介导的PfSPLa泛素化在泡桐丛枝病发生中扮演重要角色。

      泡桐是我国重要的速生用材树种之一，在保障我国木材安全、改善生态环境和提高人民生活水平等方面具有重要的作用。目前，由于缺乏精准的基因组信息，极大阻碍了泡桐基础生物学研究工作。该研究利用WTDBG软件，三代PacBio测序平台和Hi-C技术成功构建了染色体级别的白花泡桐参考基因组。组装的白花泡桐基因组大小为511.6 M，contig N50为852.4 K，组装覆盖度达到基因组的96.85%，注释蛋白编码基因31,985个。白花泡桐基因组重复序列为50.34%，其中LTR元件占29.5%。泡桐科与透骨草科和列当科进化关系最近，并且有3,022个基因家族发生了扩张。白花泡桐经历了两次全基因组复制事件：一次为古老的共有的全基因组复制事件，另一次为特有的二倍化事件 （图 1），该结果为唇形科植物进化提供了理论依据。

图1 白花泡桐基因组进化分析

      研究发现，泡桐为C3植物，光合速率高，叶片气孔晚上开放，且具有的CAM途径关键基因拷贝数大于唇形目其它C3植物。基于有机酸含量、酶活及其相关基因表达量分析发现，泡桐有CAM光合特性。C3-CAM光合作用特征是泡桐速生的关键因素（图 2）。

图2  白花泡桐CAM光合途径研究

      利用HGAP软件和三代PacBio测序平台构建了泡桐丛枝植原体基因组完成图。丛枝植原体核基因组大小为891,641 bp，有1,147 个开放阅读框、32个tRNAs和4个可移动元件，丛枝植原体含有73个效应因子，其中11个效应因子可能与丛枝病的发生密切相关。过表达PaWB-SAP54能增加毛果杨幼苗分枝数量。泡桐丛枝植原体与洋葱黄花植原体进化关系最近。酵母双杂交、双分子荧光互补和免疫共沉淀结果表明，效应子PaWB-SAP54可经26S蛋白酶体途径发生泛素化从而诱导丛枝的产生；同时，沉默PfSPLa也能引起毛果杨分枝表型的发生；转基因植株中赤霉素、生长素和细胞分裂素含量有显著变化（图3）。该结果为进一步阐明泡桐丛枝病发生分子机制奠定了坚实基础。