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黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr.）是茄科家族的一种多年生灌木，是一种重要的野生食用和药用植物资源。其果实营养丰富，素有“花青素之王”的美誉。近日，宁夏农林科学院枸杞科学研究所的研究团队攻克了黑果枸杞的高质量参考基因组，并揭示了花青素生物合成的分子机制。
研究团队首先使用花粉培养获得黑果枸杞单倍体材料，使用核型分析确认了“Heiguo”的单倍体属性（n=12）。随后，使用高深度PacBio HiFi测序和Hi-C数据，组装了一个包含12条染色体的2272 Mb的基因组，Contig N50为92.64 Mb，Scaffold N50为188.11 Mb。Hi-C锚定率为97.46%。使用三种方法评估了基因组的质量：首先，基准通用单拷贝直系同源基因（BUSCO）表明，基因组组装中完全捕获了99.10%（1600/1614）的核心基因；其次，长末端重复（LTR）组装指数（LAI）的LAI值为12.27；最后，QV得分为66.39。总共注释了基因组中1854 Mb（81.60%）的重复序列。在转座元件（TE）超家族中，LTR/Gypsy元件的扩增是黑果枸杞基因组高于宁夏枸杞的主要驱动力。总共预测了38993个基因模型，其中90.51%能被GO、KEGG、COG、Nr和SwissProt数据库注释。
随后进行了比较基因组分析，包括基因家族聚类和收缩扩张分析、进化树分析、LTR插入时间分析，尤其是深入研究了L. ruthenicum和L. barbarum之间的染色体结构变异（SV）。总共鉴定了63,414个SV，包括插入（6075，9.58%）、倒位（10400，16.40%）、复制（32160，50.71%）和易位（14779，23.31%）；分别包含2194个插入、7163个倒位，694个复制和1197个易位的基因，这些结构变异的存在可能解释黑果枸杞和宁夏枸杞之间的基因组和表型的分化。最后，为了探究黑果枸杞花青素生物合成的分子机制，研究团队整合了基因组、转录组和代谢组方法来确定在黑枸杞果实发育过程中调控花青素生物合成的基因。通过同源比对分析鉴定出87个花青素合成基因，在果实中发现63个基因表达。此外，不同黑果枸杞种质的转录组差异表达分析发现两个AN2型转录因子（evm.TU.Chr05.2616和evm.TU.Chr05.2618）、F3’5’H基因（evm.TU.Chr06.177），两个CHS基因（evm.TU.Chr05.295和evm.TU.Chr09.488）和一个AOMT基因（evm.TU.Chr09.809）具有显著表达差异。基因表达水平和花青素相关代谢物的皮尔逊相关性分析显示，evm.TU.Chr05.2618、evm.TU.Chr05.295和evm.TU.Chr09.488与12个花青素相关代谢物显著相关。最后利用瞬时过表达实验验证了这些基因的功能。本研究组装的黑果枸杞基因组和鉴定的花青素生物合成基因为枸杞的功能和进化基因组研究奠定基础，也为加速黑果枸杞花青素强化分子育种提供的重要基因资源。
图2 枸杞花青素合成通路解析
宁夏农林科学院许语辉博士、李浩霞副研究员为论文共同一作，宁夏农林科学院枸杞科学研究所赵建华研究员、南京农业大学熊爱生教授为论文通讯作者。团队负责人曹有龙研究员对该研究给予了总体指导，安巍研究员、石志刚研究员、赵健副研究员、罗青研究员参与该研究工作。该研究得到了宁夏首批“揭榜挂帅”项目、国家自然科学基金、宁夏自然基金创新群体项目和宁夏重点研发项目等项目的资助。
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