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英文标题：The Gap-free Genome of Pepper Reveals the Transposable Element-driven Expansion and Rapid Evolution of Pericentromeres
发表时间：2024.10.22
发表期刊：Plant Communications
影响因子：9.4
2024年10月《Plant Communications》杂志发表了题为The Gap-free Genome of Pepper Reveals the Transposable Element-driven Expansion and Rapid Evolution of Pericentromeres的研究成果，中国农业科学院蔬菜花卉研究所为第一单位，张亢研究员、博士研究生王翔、陈姝敏副研究员为论文的共同第一作者，程锋研究员和王立浩研究员为共同通讯作者。本研究组装了一个T2T级别的高质量辣椒基因组图谱，揭示辣椒近着丝粒区的快速扩张和进化，并通过收集多组学数据构建了辣椒多组学数据库平台PepperBase，为后续辣椒的功能基因组学研究、遗传改良和分子育种提供重要资源。贝纳基因参与完成该项目ONT Ultra-long超长测序工作。
研究背景
辣椒（Capsicum annuum L.）是一种具有重要经济价值的蔬菜作物。为了推进辣椒进化和农艺性状的遗传机制研究，在先前的研究中已有数个版本的辣椒基因组发表，比如常用的栽培种辣椒“遵辣1号”（Zunla-1）基因组。由于辣椒基因组结构复杂，基因组大小超过3 Gb，且重复序列占比达到80%以上，受到以前测序技术限制，Zunla-1_v2.0的完整性和连续性较低。考虑到Zunla-1在辣椒基因组学、遗传学和育种研究中的重要性，有必要构建一个高质量的T2T基因组。
主要研究结果
1. 辣椒T2T基因组组装和注释
本研究利用三代测序数据PacBio HiFi (103.54 Gb)和ONT ultra-long (75.56 Gb)，结合Hi-C数据将序列挂载到12条染色体上，最终组装了无间隙的“遵辣1号”T2T基因组（Zunla-1_v3.0）。该基因组大小为3.08 Gb，N50大小为167.63 Mb，BUSCO评估基因组完整性为98.76%，转座子占比84.58%。通过基因组注释，获得39,068个蛋白编码基因，并且鉴定了1,024个抗病相关的基因。
图 1“遵辣1号”辣椒T2T基因组圈图
2. 着丝粒和端粒验证
根据着丝粒的特异性三维互作模式，研究团队鉴定了12个着丝粒，并通过基于着丝粒特异性组蛋白CenH3的ChIP-seq实验进行了验证。与其他植物着丝粒不同，在Zunla-1_v3.0基因组的着丝粒中未观察到典型的卫星重复序列，着丝粒的大小范围在1.70到2.60 Mb之间；DNA甲基化和ATAC-seq分析发现，着丝粒区域有着较低的CHG甲基化水平，同时这些区域缺乏染色质开放区。此外，研究团队还根据端粒特异性重复序列，鉴定了24个端粒，进一步验证了Zunla-1_v3.0基因组组装的高完整性。
3. 近着丝粒区域分析
结合基因结构、重复序列密度、表观和三维基因组学等特征，研究团队将染色体划分为染色体臂区和近着丝粒区。染色体臂区占基因组38.07%，甲基化程度较低，富含基因以及开放染色质区域；相比之下近着丝粒区占基因组61.03%，主要由转座子组成。与茄科其他物种相比，辣椒近着丝粒区域有着显著的重复序列扩张，增加了基因组的可塑性，并且加速了近着丝粒区域基因的进化。在Zunla-1_v3.0基因组中，Gypsy元件在近着丝粒区域富集，Copia元件相对集中在染色体臂区，这种差异可能与两种元件的表观修饰模式相关。研究团队通过CUT&Tag实验描绘了Gypsy和Copia的表观修饰特征，发现H3K27me3可能在Copia元件沉默中发挥了与DNA甲基化互补的作用。
此外，研究团队在五个辣椒栽培种之间做了基因组比较分析，发现近着丝粒区域的存在/缺失变异（PAVs）和倒位情况明显比染色体臂区大很多，表明发生扩张的近着丝粒区域具有更高的分化水平。
图 2 Zunla-1_v3.0基因组和扩张的近着丝粒区域特征
总结
本研究组装了无间隙的辣椒T2T 水平基因组Zunla-1_v3.0，对辣椒基因组中的着丝粒、端粒以及扩张的近着丝粒区域结构提供了宝贵见解。另外，研究团队还整合了现有的辣椒多组学数据，开发了PepperBase（http://www.bioinformaticslab.cn/PepperBase/）数据库。这一高质量的辣椒T2T水平参考基因组为后续功能基因组学研究、辣椒的遗传改良和分子育种提供重要的资源。
参考文献：
Zhang, Kang et al. The Gap-free Genome of Pepper Reveals the Transposable Element-driven Expansion and Rapid Evolution of Pericentromeres. Plant communications, 2024.
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