2023年7月20日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室李磊課題組與合作者在Nature Communications發(fā)表了題為“Comparative genomics reveals a unique nitrogen-carbon balance system in Asteraceae”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了菊科植物中特異碳氮平衡體系的基因組機制。

     菊科（Asteraceae）是真雙子葉植物中最大的科之一，具有豐富的物種多樣性和極強的環(huán)境適應(yīng)性（圖1）。為了更好了解和研究菊科植物，合作團隊從菊科植物最近的外群草海桐科出發(fā)，通過一系列前沿組裝策略，完成了草海桐高質(zhì)量基因組組裝，為菊科研究提供了重要的外群參照。同時，通過三代測序技術(shù)、光學(xué)圖譜、以及HiC技術(shù)完成了目前最高質(zhì)量的萵苣（莖用生菜）參考基因組。通過對29種代表性陸生植物的比較，在全基因組層面首次確定了菊科植物起源時間為白堊紀晚期，約8千萬之前。利用草海桐基因組為參照，確定了菊科植物共有的古多倍化事件WGT-1發(fā)生時間與草海桐科/菊科分化時間接近，草海桐科只發(fā)生了更為古老的WGT-γ事件，并沒有發(fā)生WGT-1事件。通過對古多倍化以后保留區(qū)域的分析，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域受到了高度選擇，具有更高的基因密度，與細胞壁重塑、脂質(zhì)合成、細胞膜、開花等過程相關(guān)的基因得到富集，表明菊科植物共有的古多倍化事件對菊科植物的成功具有重要意義。

     通過基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)綜合比較，發(fā)現(xiàn)菊科植物中調(diào)控碳氮平衡的關(guān)鍵基因PII發(fā)生了丟失。PII是一種位于葉綠體的氮傳感器，可激活N-乙酰基-L-谷氨酸激酶以促進氮同化。PII還與乙酰輔酶A羧化酶的生物素羧基載體蛋白亞基形成復(fù)合物，以抑制乙酰輔酶A羧化酶活性。此外，PII可能參與氮吸收的負調(diào)節(jié)并防止陸地植物過量吸收亞硝酸鹽。通過萵苣中異源表達PII等一系列試驗，發(fā)現(xiàn)PII丟失對菊科植物碳氮平衡的進化起到了重要作用。結(jié)合菊科植物中低氮條件下同化氮的基因和脂肪酸合成基因家族擴增的現(xiàn)象，表明菊科植物對碳氮代謝進行了重構(gòu)（圖2）。

圖2. 植物碳氮平衡系統(tǒng)對比

（a、普通植物中碳氮平衡系統(tǒng)；b、菊科植物碳氮平衡系統(tǒng)）。

     北京大學(xué)李磊研究員和北京市農(nóng)林科學(xué)院楊效曾研究員、魏建華研究員為論文共同通訊作者。該工作得到了蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40002-9