项目文章丨三大Physaria属物种染色体级基因组发布，解锁羟基脂肪酸绿色生产新路径

近日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室联合崖州湾国家实验室在Nature Communications杂志在线发表了题为Chromosome-level assembly and analysis of three hydroxy fatty acid-producing Physaria species的研究论文，本研究成功完成P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri 三个代表性物种的染色体水平基因组组装，系统解析了Physaria属的基因组演化特征、着丝粒结构规律及HFA合成的关键调控机制，为HFA的定向遗传改良及Physaria属植物的产业化开发提供了核心遗传资源与理论支撑。万摩科技团队承担了本研究的分析相关工作。

（1）三个Physaria属物种高质量基因组组装

研究团队利用PacBio长读长数据、Illumina短读长数据与Hi-C数据，完成了三个Physaria属物种高质量染色体基因组组装，最终获得的P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri基因组大小分别为344.42Mb、329.03Mb和451.62Mb，contig N50依次为6.08Mb、30.42Mb和33.69Mb，且均检测到端粒信号。同时三个基因组分别注释出33,677、36,997与39,517个蛋白编码基因，经 BUSCO评估组装完整性达98.5%-99.1%，LAI值为18.60-23.79。

表1 三个Physaria属物种基因组组装指标

（2）三个Physaria属物种特异性的全基因组加倍事件

研究基于276个单拷贝同源基因家族，构建了包含P. lindheimeri、P. pallida、P. fendleri三个 Physaria属物种与15个代表性植物的系统发育树，明确Physaria属与拟南芥亲缘关系最近，约15.11 Mya发生分歧，随后P. fendleri 于5.36 Mya与另外两个物种分化，P. lindheimeri 和P. pallida 则在 3.39 Mya分化。以拟南芥为十字花科代表物种进行 WGD分析后发现Physaria属除共享十字花科的α全基因组复制（WGD）事件（Ks峰值0.92-0.95）外，还存在特征性Ks峰值（0.42-0.43），对应约 14.10-14.46 Mya发生的两次连续物种特异性WGD 事件，且因发生时间间隔较近，Ks分布呈单峰模式，难以通过系统发育树拓扑结构区分。共线性结果显示，Physaria属物种与拟南芥呈1:4共线性关系，进一步证实两次WGD事件的存在，而三个Physaria物种之间均为1:1共线性关系，表明WGD 事件发生于物种分化之前，且分化后未再出现新的 WGD事件。此外，通过与祖先真双子叶植物核型（AEK）对比，追溯出Physaria属从拟南芥5条染色体经多次断裂与融合形成6条染色体的核型进化路径，同时发现该属LTR-RT近期仍高度活跃，且特有基因家族显著富集于DNA复制、修复与重组等通路，推测这些基因在WGD和LTR-RT扩增后对维持基因组稳定性发挥了关键作用。

图2 Physaria属物种的系统发育与全基因组复制事件分析

图3 基因组进化比较分析

（3）Physaria属植物着丝粒区域、重复区域的序列结构特征分析

研究团队成功解析了P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri 三个物种的着丝粒区域序列结构，发现三者均含高度保守的111 bp卫星重复序列（分别命名为 CentPl、CentPp、CentPf），物种间序列一致性达 94%-96%，染色体内部序列一致性更是高达 96% ；着丝粒长度存在物种差异，平均长度分别为 2.62 Mb、3.55 Mb和2.36 Mb，每个着丝粒含有的卫星重复序列拷贝数为4308-5439个，且均富集 Gypsy/CRM和Copia/Ale两类反转录转座子，其中 Gypsy/CRM型拷贝数最高，但转座子拷贝数与着丝粒长度无明显相关性；此外，三个物种的着丝粒区域均注释到蛋白编码基因（19-111个），但表达水平普遍较低，仅部分基因在至少一种组织中 TPM>1，推测可能受异染色质介导的转录抑制或存在假基因。同时，研究团队对P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri 的重复区域进行了系统解析，发现P. fendleri 的片段重复含量（166.66 Mb，占基因组38.76%）显著高于P. lindheimeri和P. pallida，且与水稻、菜豆不同，三个Physaria属的片段重复在各染色体上分布相对均匀，其区域内的基因主要富集于“DNA 整合”“DNA代谢过程” 等通路，推测对维持基因组完整性和稳定性至关重要。

图4 Physaria属植物着丝粒与重复序列的特征解析

（4）转录组分析揭示三个Physaria属植物HFA高含量的遗传基础

研究通过转录组分析揭示了三个Physaria物种种子中HFA积累的分子机制。P. lindheimeri、P. pallida和P. fendleri的种子含油量分别为24.23%、18.32%和17.96%，核心HFA成分羟基二十碳烯酸的占比依次为80.78%、84.56%和51.19%；对种子不同发育阶段（早期EDS、中期MDS、晚期LDS）及叶、茎组织的转录组对比发现，与叶片和茎相比，种子中大量脂质代谢相关基因显著上调，且富集于脂肪酸延长、不饱和脂肪酸生物合成等通路；HFA 合成关键基因FAH12和KCS3在种子中晚期发育阶段特异性高表达，营养组织中表达量极低，同时脂质合成通路中的SAD、LPAT、DGAT、PDAT等基因及调控种子油脂积累的转录因子（ABI3、WRI1、FUS3、LEC1、LEC2）也在种子中高表达，形成协同调控网络。进一步的基因系统发育与表达谱分析显示，Physaria属的FAH12、KCS3与拟南芥、蓖麻的同源基因存在功能分化，其种子特异性高表达特征是HFA高效积累的核心驱动力。

图5 转录组分析揭示三个Physaria属植物HFA高含量的遗传基础

（5）Physaria属植物FAH12蛋白的酶活性的调控机制

该研究通过多维度实验明确Physaria属三个物种的FAH12酶活性差异由两个关键氨基酸残基决定：脂肪酸含量分析显示P. lindheimeri和P. pallida的羟基二十碳烯酸含量（80.78%、84.56%）显著高于P. fendleri（51.19%），但转录组数据却表明 PfFAH12的表达水平反而更高，推测酶活性是核心限制因素；哺乳动物细胞表达实验证实，尽管 PfFAH12蛋白表达量不低，但催化生成的蓖麻油酸含量显著低于PlFAH12和PpFAH12；AlphaFold3 结构预测分析发现，PfFAH12的H111和Q225两个残基与PlFAH12、PpFAH12的Q111和H225存在差异，可能影响底物结合效率；定点突变实验显示，将PfFAH12的H111突变为Q、Q225突变为H（单突变或双突变）均能显著提升酶活性，其中双突变体（PfFAH12H111Q/Q225H）的蓖麻油酸产量提升近2.5倍；拟南芥转基因实验进一步验证，过表达 PlFAH12和PpFAH12的种子蓖麻油酸含量显著高于过表达PfFAH12的植株，充分证实这两个氨基酸残基对FAH12酶活性的关键调控作用。

图6 Physaria属植物FAH12蛋白的羟化酶活性