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表型大数据可视化，3分钟了解小麦条锈菌3D基因组 农作物在生长发育和产品贮藏过程中，经常遭受病害的威胁。近日，中国农业科学院植物保护研究所粮食作物真菌病害流行与防控创新团队在国际知名微生物学期刊《Microbiology Spectrum》在线发表了以小麦条锈菌为例的研究论文，系统比较了植物病原真菌的3D基因组折叠与动态变化特征，并揭示了微生物基因表达调控的独特机理，为进一步探索病原菌与寄主互作中的表观组学机理奠定基础。 该研究首先组装并注释了小麦条锈菌染色体水平的参考基因组。小麦条锈菌条中34（CYR34）为国内小麦条锈病流行生理小种，研究人员利用二代Illumina测序、三代PacBio测序和高通量染色体构象捕获测序（Hi-C），将其组装至染色体水平，共含有18条染色体（图1），其中多条染色体两端均含有端粒重复序列，总长度79,105,147bp。共预测编码蛋白基因17,095个，通过BUSCO评估组装完整度为97.00%。
图1 小麦条锈菌染色体水平基因组 注：（A)中每条染色体含5层，从上至下：第一层为GC含量，第二层CpG island，第三层转座子及重复序列，第四层为基因，第五层为编码分泌蛋白的基因；centromere: 中心粒；telomere:端粒。 利用染色体级别的基因组及Hi-C数据，构建了包含小麦条锈菌在内的15种植物病原真菌三维基因组模型。在三维构象中，各染色体的中心粒区域和端粒序列聚集成簇，并排列在细胞核表面，呈现出与高等真核生物相似的Rabl构象结构（图2）。但与高等动植物三维基因组结构不同之处在于，小麦锈菌染色体没有形成典型的染色体区域（chromosome territory），而是表现出染色体之间的高度互作（high inter-chromosomal interaction frequency）。此外，真菌的染色质结构为fractal model 与 equilibrium model的组合，这与高等真核生物具有显著差异。
图2 小麦锈菌三维基因组概况 （A,D,G）小麦条锈菌CYR34；（B,E,F）小麦条锈菌Pst93-210；（C,F,I）小麦秆锈菌Pgt210。（A-C）染色体在三维基因组中的构象，同一线代表一条染色体，共18条染色体。（D-F）中心粒和端粒在三维基因组中的构象，红色为中心粒，绿色为端粒。（G-I）染色质互作频率与基因组位点距离的关系。 通过比较小麦条锈菌夏孢子与萌发芽管的Hi-C数据，发现存在大量的3D基因组结构差异区域（图3）。然而，在这两个阶段，三维基因组结构变化对基因表达的调控影响很有限，3D基因组结构在条锈菌生活史中的其他阶段的变化值得进一步研究。
图 3 CYR34夏孢子和芽管阶段之间染色质构象的动态变化。 大数据的可视化让我们在农作物的生长发育、栽培各方面有了深入研究，也方便科研者的育种工作顺利进展，为作物的繁育进程提高效率。这些可视化农业研究数据主要来源于软件系统的算法，利用软硬件结合打造植物表型大数据平台，实现端对端，点对点的链接与运转，达到可视化、延展性、易管理的智能农业育种平台。 注：本文部分内容源于“小麦研究联盟”。 |
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