生薑是世界性藥食同源辛香蔬菜之一。中國生薑栽培面積、產量和出口量均居全球第一位。生薑產業在我國西南地區單產經濟效益高，已被重慶市列入“七大特色農業產業鏈”，作為推動鄉村振興的優選產業。薑辣素是生薑特有的呈味物質，也是生薑多種功能活性的主要功能因數，在調味品、化妝品和醫療保健等領域具有廣闊的應用前景。然而，長久以來生薑基因組資訊的缺乏，限制了我們對生薑基因組的研究和薑辣素合成調控機理的理解，導致了生薑分子育種發展緩慢。
2021年8月5日，Horticulture Research線上發表了題為Haplotype-resolved genome of diploid ginger（Zingiber officinale）and its unique gingerol biosynthetic pathway的研究論文。
該研究破解了西南地區主栽品種竹根薑的基因組，利用短讀長（369.51 Gb），長讀長PacBio（285.81 Gb）及Hi-C（563.16 Gb）策略組裝出竹根薑兩套單倍型高品質基因組，單倍型的基因組大小分別為1.53 Gb（contig N50: 4.68 M）和1.51 Gb（contig N50:5.28 M），98.11%的序列錨定到22條染色體（圖1）。PacBio讀長在2個單倍型的overlap分別為97.95%和98.1%，顯示了分型的準確性。兩套單倍型的Ka/Ks分析揭示生薑馴化歷史過程中經歷了相似的選擇壓力。通過等位基因分析，總共55635個基因（占所有基因的72%）在兩個單倍型中具有同源性。生薑17226對等位基因中，11.9%在轉錄水准表現出染色體偏好性（圖2）。該研究發現生薑基因組雜合度3.6%，是現時已報導雜合度最高的植物基因組。重複序列高，其中長末端片段重複（long terminal repeats，LTRs）占61.06%，可能是導致其基因組大、雜合度高的主要原因，同時也是生薑基因組進化的主要驅動力。生薑等位基因在兩套單倍型中沒有展現出表達差异，17226對等位基因中有2055對（11.9%）在轉錄水准表現出染色體偏好性。
圖1.生薑基因組特徵統計。a.染色體；b.基因密度；c. SSR密度；d. LTR密度；e.GC含量。
圖2.生薑兩套單倍型等位基因的比較。A.兩個單倍型的單個染色體的Ka/Ks值；B.生薑單倍型1和單倍型0等位基因分佈圖（從內到外：a.雜合度比率；b.等位基因；c.雜合基因比率；d. DEL比率；e.染色體數目；f.等位基因連結）；C.兩個單倍型配對染色體中等位基因的FPKM值。
通過綜合基因組、轉錄組和代謝組數據進行綜合分析，該研究構建了生薑特有成分薑辣素的合成通路，篩選出12個參與薑辣素合成的關鍵酶家族（PAL，C4H，4CL，CST，C3′H，C3OMT，CCOMT，CSE，PKS，AOR，DHN，和DHT），鑒定出38個可能調控薑辣素合成的重要轉錄因數家族，並繪製出薑辣素合成的分子調控網絡。
圖3.生薑中重要次級代謝產物定量分析及薑辣素合成通路解析。A.樣本採集示意圖；B.以正/負離子模式鑒定到的生薑根莖代謝產物的主成分分析；C.薑辣素生物合成關鍵基因的表達通路。
該工作由劉奕清教授（重慶文理學院、長江大學）牽頭，西南大學和華大基因等參與共同完成。生物學研究中心董照明副教授為共同第一作者，夏慶友教授為共同通訊作者，趙萍教授、王翊教授和張豔副教授作為合作者參與。該研究得到了重慶文理學院生薑基因組重大專項、重慶市自然科學基金等項目的支持。
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