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客户文章 | IF=38.079! 基因组构建及多组学分析揭示了恩施碎米芥硒富集和硒耐受的分子机制
发表单位：恩施土家族苗族自治州中心医院 发表日期：2021年8月10日 期 刊：Cell Discovery（38.079） 2021年8月10日，恩施土家族苗族自治州中心医院、湖北硒与人体健康研究院黄楚鹰课题组在Cell Discovery （IF2022=38.079）上在线发表了题为“The Cardamine enshiensis genome reveals whole genome duplication and insight into selenium hyperaccumulation and tolerance”的研究论文。该研究作者构建了高质量的恩施碎米芥参考基因组，通过基因组、转录组、代谢组和表观组学多组学联合分析阐述了硒耐受和硒富集的分子机制。爱基百客为该研究提供ChIP-seq、WGBS的技术支持。
研究背景 硒（Se）是一种必需的微量元素，与硒蛋白结合后，具有抗氧化、抗炎和调节甲状腺代谢的特性。人体内硒含量较低时可能会导致死亡风险增加、免疫功能降低、认知能力下降和不可逆转的脑损伤。恩施碎米芥最早在中国恩施的硒矿区发现，随后被作为一种新型的食物被大规模在栽培。恩施碎米芥具有较强的硒耐受性和硒富集性，因此可潜在应用于硒污染的土壤和水的修复中；此外，硒相关产业的经济贡献占恩施市全年GDP的近一半左右。因此，阐明恩施碎米荠耐硒和超积累硒的机理具有重要的环境和经济意义。 研究思路 材料：恩施碎米芥 硒胁迫：400μM硒处理24 h 硒富集：400 μM硒处理2周
研究结果 一、基因组测序、组装和注释 作者对恩施碎米荠基因组进行测序，最终得到的基因组大小为443.46 Mb（Contig N50=1.23 Mb，Scaffold N50=24.41 Mb），将86.6%的组装序列锚定到16条染色体上，BUSCO评估基因组完整性为97.7%。对基因组进行注释，共预测出52,725个蛋白质编码基因，平均基因长度2.1kb，平均编码序列长度1.1kb，每个基因的外显子数为5.1。大多数预测基因 (96.0%) 得到同源性支持并进行功能注释，GO注释了27391个基因，该注释还预测了3324个非编码RNAs（ncRNAs）。重复性元素占基因组的61.4%，48.5%是长末端重复（LTR）逆转录子。
图1 恩施碎米荠基因组特征及WGD 二、恩施碎米芥基因组进化和比较基因组学分析 共线性分析揭示了全基因组复制（WGD）事件和WGD后的片段复制（图1b）。系统发育分析显示恩施碎米芥和碎米芥的分化时间约为6.5 MYA（million years ago）（图1d），CIRCOS图显示恩施碎米芥与碎米芥基因组存在明显的2:1共线性关系（图1c），这证实了恩施碎米芥为四倍体。 三、硒对恩施碎米芥三维空间结构的影响 作者对硒处理前后的样本分别进行Hi-C、基因组、甲基化、转录组、ChIP-seq等测序，主要从Compartment、TAD、FIRE三个方面分析硒对3D基因组结构的影响。 通过全基因组特征向量分析鉴定了A、B Compartment，硒处理重塑了第2、6、8、9、10 号染色体的A和B Compartment。为了解硒对A、B Compartment的影响，作者进一步以100 kb的分辨率进行分析，确定了两组之间的755个Compartment差异区域。保守的A Compartment具有更高的基因密度和激活的表观遗传标记，而保守的 B Compartment和差异区域与TE密度增加和抑制性表观遗传标记减少相关。对差异区域上的基因进行GO 和 KEGG 分析，显著富集的途径有乙醛酸和二羧酸代谢、插入激素生物合成和硒化合物代谢等。 使用40 kb分辨率的Hi-C互作图在恩施碎米芥中鉴定了TAD（图2e、f）。在硒处理前后两组中分别鉴定537和543个TAD以及521和527个TAD边界。与TAD内部相比，TAD边界具有更高的基因密度和基因表达水平，且TAD边界分别在CHG环境中具有更高的活性表观遗传标记（H3K4me2）和更多的甲基化胞嘧啶。GO和KEGG分析显示TAD边界上的基因显著富集在与细胞对硒、硒结合和类黄酮生物合成相关的通路中。 使用10 kb分辨率鉴定了1184个显著的FIREs（局部染色质相互作用热点区域），这些区域在2、9 和 13染色体、Compartment A 和TAD边界区域显著富集，但这些区域的基因密度分布和GC含量与其他地区相比没有显著差异。 综上所述，这些结果表明硒耐受性和代谢在染色质水平上具有相关性。
图2 恩施碎米芥全基因组互作矩阵 四、恩施碎米芥硒耐受和硒富集的机制 为了研究恩施碎米芥硒耐受机制，作者用400 μM硒或水处理幼苗 24 h。转录组和代谢组检测共鉴定出29671个差异表达基因和127种差异代谢产物，其中有10种与黄酮相关代谢物发生了变化，这表明黄酮在硒耐受中起关键作用。对处理组和对照组进行主成分分析，发现两组的转录组和代谢组存在差异。为了解转录组和代谢组间的联系模式，对其数据进行相关性分析，总共鉴定了105268个表达相关性，涉及183个代谢物和3202个基因（图 3a），此外，发现175 个转录本与tricetin Omalonylhexoside和Amentoflavone高度相关（R2 > 0.96）。
图3 黄酮类化合物提高恩施碎米芥对硒的耐受性 为了研究恩施碎米芥硒超富集机制，作者用400 μM 硒处理幼苗两周。基于基因组和转录组联合分析，确定了硒代谢途径中的8个基因（图4a），这些基因表达量在硒富集处理后均发生变化。根组织中的SULTR、SiR、cysK、metB、MetE、MMT基因和叶组织中的SiR、APR、MetE基因上调（图4b），MMT基因表达量最高。 GSH在保护植物免受重金属暴露引起的氧化应激方面发挥着重要作用。使用转录组分析，作者鉴定了5个编码GSH代谢途径中酶的基因（图5a、b）。与细胞壁代谢相关的显着基因组扩增，例如木质素、果胶、纤维素和葡聚糖生物合成。此外，比较基因组学分析显示木质素生物合成途径过多，鉴定出30个相关基因。KEGG 分析表明，铁死亡、MAPK 信号通路、苯丙氨酸生物合成、硒化合物代谢、硫代谢和类黄酮生物合成是来自WGD的13号染色体重复基因富集的主要途径。DNA 甲基化和染色质重塑参与调节基因表达以应对非生物胁迫。在硒酸钠处理的第14天，叶片中的 DNA甲基化进行了全基因组研究，结果显示DNA甲基化含量受硒胁迫的影响，对照组6号染色体上的平均甲基化水平低于硒胁迫组。
图4 恩施碎米芥的硒代谢机制
图5 GSH与硒耐受性有关 总结 作者构建了高质量的恩施碎米芥参考基因组，揭示了恩施碎米荠的全基因组复制事件，通过Hi-C多组学分析了硒对恩施碎米芥三维空间结构的影响，为其硒耐受和硒富集的分子机制研究提供了新的见解。 往期推荐：
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